ASME规范案例2605_1在承压设备高温疲劳寿命设计方面的应用

1． 1 案例 2605 － 1 的蠕变损伤模型 案例 2605 － 1 主要包括： 塑性垮塌、蠕变、蠕
变棘轮和蠕变 － 疲劳交互作用这四种失效模式， 在每种失效模式中都考虑了蠕变损伤的作用。案 例采用的损伤模型为 Omega 蠕变损伤模型，该模 型源自美国材料性能理事会（ MPC） 下属的石油 和化学委员会于 1986 年启动的 Omega 项目： 致 力于建立一套简单易行的方法来预测在蠕变温度 范围内工作的过程设备的剩余寿命［13］。API 579 － 1［14］也用该模型来评估承压设备的剩余蠕变寿 命。Omega 蠕变损伤模型认为： 应变速率在蠕变 的过程中起关键性作用，它不仅与温度、应力水平 相关，而且与材料已经使用的时间相关，可以通过 应变速率来预测剩余寿命； 在承压设备设计的应 力水平下，蠕变第一阶段的时间很短，剩下的都是 第三阶段，不存在蠕变第二阶段［15］。
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数千甚至上万个循环，计算量大、耗时长。以下分 别介绍这两种方法的要点。 1． 4． 1 近似简化的分析方法
（ 1） 对载荷历程图谱进行保守化处理（ 取最 极端的工况组合） ，选取至少 2 个循环，并在每个 循环中插入至少 1 年的保载时间（ 为了充分的体 现出蠕变松弛效应） ；
（ 2） 本构模型采用理想弹塑性模型； （ 3） 在最后一个计算循环中，如果加载和卸 载都是线弹性，没有发生塑性变形，即塑性变形区 域不会扩展，那么整体安定性校核通过。 1． 4． 2 完整的非弹性分析方法 （ 1） 使用符合真实情况的温度和压力载荷历 程图谱（ 包括所有循环及相应的保载时间） ； （ 2） 本构模型采用理想弹塑性模型； （ 3） 总累积非弹性变形量不得超过表 2 中的 规定。 1． 5 不考虑疲劳损伤的蠕变寿命 目的是得到结构的稳态蠕变寿命，按此寿命 从图 1 中选取相应的疲劳设计曲线，从而获得结 构允许的最大疲劳循环次数。计算不考虑疲劳损 伤的蠕变寿命 Lcaf 的要点如下：
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CPVT
ASME 规范案例 2605 － 1 在承压设备高温疲劳寿命设计方面的应用
Vol30. No6 2013
包括基本结构设计、整体安定性校核、不考虑疲劳 的蠕变寿命和考虑疲劳的蠕变寿命这 4 个流程。
图 2 案例 2605 － 1 的设计流程图
1． 3 设备基本结构的设计 设备的结构尺寸应该按照 ASME Ⅷ － 2 进行
1 案例 2605 － 1 简介
2． 25Cr － 1Mo － V 具有很强的抗高温蠕变、 回火脆化、氢腐蚀和氢脆的性能，被广泛用于高温 高压临氢环境，最典型的设计温度是 454 ℃ ，操作 温度 是 428 ℃［10 － 12］。 案 例 2605 － 1 仅 提 供 2． 25Cr － 1Mo － V 的高温疲劳设计曲线，是因为 绘制高温疲劳设计曲线的工作量庞大，而且目前 石油加氢工艺中绝大部分需要考虑高温疲劳问题 的设备都是由该种材料制成。案例提供了一组包 含蠕变寿命的疲劳设计曲线（ 如图 1 所示） ： 坐标 横轴为设计循环数，坐 标 纵 轴 为 应 力 幅，共 有 8 条，每条疲劳设计曲线对应一个蠕变寿命 （ 不考 虑疲劳损伤） 。从曲线中可以看出： 设计循环次 数是应力幅和蠕变寿命的函数。
中图分类号： TH121； T － 651 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 4837（ 2013） 06 － 0022 － 05 doi： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 4837． 2013． 06． 005
An Approach for High － temperature Fatigue Life Designing of Pressure Vessels in Accordance with the ASME Code Case 2605 － 1
第 30 卷第 6 期
压力容器
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表 2 总累积非弹性变形量限制
应力类型
累积等效非弹性变形 /% 焊缝和热影响区 其他部位
薄膜应力
0． 5
1． 0
薄膜应力 + 弯曲应力
1． 25
2． 5
局部应力（ 所有点）
2． 5
5． 0
（ 1） 计算 100 万 h 恒温恒载的蠕变损伤（ 取 正常操作工况下可能出现的最高温度和压力） ；
设计，确保强度要求符合规范。 案例 2605 － 1 对受压元件设计的要求如下： （ 1） 内外径比 Do / Di ≤1． 2； （ 2） 受压标准件满足 ASME Ⅷ － 2 第 1 篇中
表 1． 1 中的相关要求，法兰满足第 4 篇 4． 1． 11 的 要求；
（ 3） 接管和锥壳过渡段应当采用整体补强； （ 4） 非标法兰的设计按照 ASME Ⅷ － 2 第 4 篇 4． 16，许用应力按照 ASME Ⅱ卷 D 分篇中的表 1A 选取。 1． 4 整体安定性校核 案例 2605 － 1 提供了两种安定性校核的方 法，目的是确保整个设备在设定的循环周次内不 发生超过限制的塑性变形。方法一（ 2605 － 1 中 （ d） （ 1） （ a） 条） 使用经过保守简化处理的载荷曲 线进行近似的校核计算，只需要计算 2 ～ 4 个循 环，计算量小、耗时短，应当优先采用。当按方法 一进 行 的 安 定 性 校 核 失 败 时，应 使 用 方 法 二 （ 2605 － 1 中（ d） （ 1） （ b） 条） 校核。方法二按照实 际的载荷曲线对设备进行安定性校核，需要计算
表 1 疲劳设计曲线的温度限制
材料
最高设计温度 /℃ JB 4732 ASME Ⅷ － 2 案例 2605 － 1
图 1 案例 2605 － 1 提供的疲劳设计曲线
碳钢、低合金钢 375
371
无
2． 25Cr － 1Mo － V 375
371
454
奥氏体不锈钢
425
427
无
鉴于石化行业对高温疲劳寿命设计方法的迫 切需求，ASME 于 2008 年 10 月出版了规范案例 2605，并于 2010 年 1 月修订为案例 2605 － 1［9］。 该案例在 ASME Ⅷ － 2 的基础上拓展了 2． 25Cr － 1Mo － V 材料在蠕变温度范围内的疲劳 设 计 曲 线，可以比较方便地进行高温疲劳寿命设计。文 中对其特点和设计方法进行一些简单的介绍。
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加速疲劳损伤，发生蠕变 － 疲劳交互作用（ 即高 温疲劳） ［3］。因此，在对设备进行疲劳寿命设计 的过程中，不能忽略蠕变损伤，也不能孤立的考虑 蠕变损伤。而规范中对疲劳设计曲线适用温度的 限制（ 如表 1 所示） 正是为了避免发生疲劳 － 蠕 变交互作用。
相比而言，核电承压设备的高温疲劳寿命设 计方法相对比较完善，主要有： ASME Ⅲ － NH［4］， RCC － MR［5］和 R5 规程［6］。其中，ASME Ⅲ － NH （ 前身为 ASME 规范案例 N － 47［7］） 的设计准则
Omega 蠕变损伤模型具有以下特点： （ 1） 简便可靠、易于实施并且不过分保守； （ 2） 可以预测达到指定应变所需要的时间； （ 3） 可以预测剩余寿命，并且和历史载荷无 关。 需要注意的是，在目前所有的商业有限元软 件（ 如 ANSYS，ABAQUS 等） 中都没有包括上述蠕 变损伤模型，因此需要设计者用 Fortran 语言编写 子程序。在 ANSYS 中可 以 使 用 UserCreep［16］ 子 程序来实现这一功能。 1． 2 案例 2605 － 1 的设计流程 案例 2605 － 1 的设计流程如图 2 所示，主要
ASME Ⅷ － 2 中免除疲劳分析的判定方法 A （ 5． 5． 2． 3） 不能用于材料的蠕变温度范围； 方法 B （ 5． 5． 2． 4） 由于疲劳设计曲线的温度必须低于 371 ℃ （ 碳钢、低合金钢） ，因此也不能使用。但 是，可以用案例 2605 － 1 的疲劳设计曲线替换方 法 B 中的曲线来进行免除疲劳分析的判定，要点 如下：
ZHANG Xiao － cheng，GUAN Kai － shu （ Key Laboratory of Pressure System and Safety，Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）
是在美国液体金属快中子反应堆项目支持下发展
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起来的，用于核安全一级部件的建造。RCC － MR 是法国为发展快中子增值堆项目，在 RCC － M［8］ 的基础上高温部分进行了扩展。RCC － MR 的基 本准则与 ASME － NH 相似，采用的安全因子水平 也基本一致。R5 规程是英国能源公司为了保证 高温气冷堆的长期连续可靠运行及电站延寿的需 要而研究和发展，可以用于高温部件的结构完整 性评定。但是以上这些核电的设计和评定方法过 于复杂和繁琐，难以借鉴。
（ 2 ） 蠕变损伤的上限取 Dc = 0． 95。如果在 100 万 h 内达到蠕变损伤上限，那么 Lcaf = 实际的 计算时间； 如果没有达到蠕变损伤上限，那么 Lcaf = 100 万 h。 1． 6 考虑疲劳损伤的蠕变寿命
目的是计算得到最终的蠕变 － 疲劳寿命，如 果实际 值 小 于 计 算 值，那 么 校 核 通 过。如 果 按 2605 － 1 中（ d） （ 1） （ a） 条校核安定性，应该按照 2． 6． 1 ～ 2． 6． 2 计算； 如果按 2605 － 1 中（ d） （ 1） （ b） 条校核安定性，应该按照 2． 6． 3 ～ 2． 6． 4 计算。 1． 6． 1 免除疲劳分析的判定方法（ 按 2605 － 1 中Baidu Nhomakorabea（ d） （ 1） （ a） 条校核安定性）
Abstract： With the rapidly development towards large － scale and high － parameter，increasing number of devices in petrochemical industry manufacturered by 2． 25Cr － 1Mo － V are servicing under high － temperature fatigue condition． The ASME Code Case 2605 － 1 was published timely to satisfy the urgent needs of high － temperature fatigue life designing． The ASME Code Case 2605 － 1 is mainly introduced． Key words： ASME Code Case 2605 － 1； high － temperature fatigue； creep － fatigue interaction； life design
0 引言
在石油化工过程中，一些承压设备的操作条 件会在大范围内进行周期性的波动（ 如： 负荷变 化、开车停车等） ，如果这种周期性的波动达到一 定的次数，可能会使设备发生疲劳失效，因此必须 对设 备 进 行 疲 劳 寿 命 设 计。 美 国 的 ASME Ⅷ － 2［1］和我国的 JB 4732［2］中都提供了蠕变温 度以下的疲劳寿命设计方法。如果设备的工作温 度升高到材料的蠕变温度范围内，蠕变损伤就会
设计计算
ASME 规范案例 2605 － 1 在承压设备高温疲劳 寿命设计方面的应用
章骁程，关凯书 （ 华东理工大学 承压系统与安全教育部重点实验室，上海 200237）
摘 要： 石化行业的装置正朝着大型化、高参数化方向发展，越来越多的 2． 25Cr － 1Mo － V 钢制承压 设备服役在高温疲劳环境下。ASME 规范案例 2605 － 1 的出版及时地满足了石化行业对该种钢材 高温疲劳寿命设计方法的迫切需求。对 ASME 规范案例 2605 － 1 进行一些简单的介绍。 关键词： ASME 规范案例 2605 － 1; 高温疲劳; 蠕变 － 疲劳交互作用; 寿命设计