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摘要：低周疲劳是核电发电设备汽水回路压力容器不可回避的风险。对于交变作用的温度和压力而产生的疲劳，RCCM规范提供了相应的设计验证方法。此方法广泛应用在核电领域热交换容器设备中。本文阐述此种方法，并且给出一种基于ANSYS二次开发实现疲劳分析全局评定的方法，以此来代替工程实践中根据经验来局部选点进行校核的传统办法。
关键词：压力容器；ANSYS疲劳分析；全局评定；
在工业发电领域,压力容器通常作为实现汽水交换，热交换的重要载体，由于电站维护保养，电网负荷分配等原因，设备的载荷通常存在瞬态效应，由此带来交变应力。由此，发电领域压力容器的存在疲劳失效的风险，从而造成事故隐患，故虽然疲劳分析只是压力容器设计验证的一小部分，但在实际设备设计验证中，疲劳检测和验收等方面占有重要地位。国际上比较通用的疲劳校核规范有ASME和EN标准。另外例如在特定国家与领域，也有相应规范适用，如法国多适用CODAP规范，核电领域适用RCCM。其中RCCM规范是法国核电设计规范，对多种金属材料的高温蠕变疲劳S-N曲线进行了定义，并且根据交变应力发生区域，表面特性等进行了应力幅值进行了修正。本文主要基于RCCM C卷第3284章节内容，对于压力容器疲劳分析简述其原理，提供一种基于ANSYS软件实现全局疲劳测定的方法，并且比较RCCM, CODAP, EN13445在疲劳分析方法上的异同。
一、RCCM疲劳分析法慨述
RCCM 疲劳分析法中重点阐述了怎样在多种工况组合中得到最大的应力幅值。当压力容器在多工况皆有发生可能并且单个循环周期内可能存在其他循环工况的情况下（例如在冷启动到停机之间可能存在短时间降负荷的情况）。考虑到每种工况在设计生命周期内有不同的发生概率，那么考虑其中最恶劣的组合形式就变得非常有必要。由此，RCCM中把单工况考虑应力幅值的传统分析方法改进为把可能发生的工况两两组合的方式来得到组合工况下的最恶劣情况。
首先它区分为两种情况：主应力状态在循环载荷中基本不变（主要适用于温度影响不大，设备受到机械载荷和压力作用）；主应力状态发生变化的情况（温度变化明显，二次应力为主要作用情况）。由于核电设备通常压力容器温度影响较大，故而多为第二种情况。在此情况下，引入了在设备设计生命中最恶劣工况k，把所有工况下任意时刻的应力分量减去最恶劣情况下的应力分量，再通过新得到的应力分量求取主应力。则此主应力对应的是各工况的主应力与最恶劣工况k的幅值。应注意应力分量的方向性。由此得到的应力状态既保证了方向性，从而避免了由于方向交替而被忽略的应力状态带来的幅值增倍；同时又保证了精确性，避免通常在考虑应力幅值中的过分保守。注意此种方法应为通用，亦适用于主应力状态在循环载荷中不变的情况。由此我们可以得到新的循环载荷。基于新的循环载荷，求取两种任意情况p，q下最大的TRESCA应力幅值。并对应力幅值进行矫正。
RCCM中考虑的矫正系数主要有：
1，弹塑性应变矫正因子Ke.由于应力计算做了材料理想弹性假设，但在实际中，材料进入塑性之后发生蠕变，对此通过因子Ke进行矫正。RCCM中针对不同应力来源采取不同系数。分为机械应力和热应力两种不同工况。并且不同的材料，校正系数有所差异。
2，弹性模量矫正。主要考虑材料s-n曲线由特定材料得出，和实际计算材料和温度情况会有偏差，从而作出矫正。此矫正为线性考虑。
3，对于结构不连续区域，考虑应力集中系数，通常不大于5，对于角焊缝，通常不大于4。
由此矫正后的应力幅值，根据材料s-n曲线，得出p,q两循环工况下的最恶劣的单次循环疲劳使用系数，乘以p,q两工况中发生次数较少的循环次数，得到p,q两工况下的疲劳使用系数。
进而，针对所有可能的循环，求取所有可能的循环疲劳使用系数。最后叠加应考虑所有综合情况，先考虑使用度最大的工况组合，剔除其中发生次数较小循环。再次筛选，直至所有工况都被考虑。由此把所有筛选出的疲劳使用系数叠加，得到全生命周期疲劳使用系数。
二、利用ANSYS二次开发实现全局化疲劳分析
以往工程实践中，往往依靠工程师经验来选取关键时刻和关键点来进行疲劳分析。需要注意的是，由于疲劳是考虑循环载荷下可能发生的最大应力幅值，可能最恶劣情况对于压力容器某局部有效，对另外的局部则不适用。对于关键点，单一时刻应力极值点不一定是应力幅值发生的点。故而，在实践中，这非常考验工程师的经验与判断。并且难以佐证保守性。
利用Ansys,我们可以对全工况进行时程模拟，得出热场解，继而得出应力解。利用ANSYS中的数组操作，可以有效地对全周期下提取应力分量，并且自动化进行数据矫正，输出应力幅值。并且实现全局可视化。
此处，仅针对某压力容器设备再沸器接口进行举例说明：
设备有四个工况，分别考虑正常工况下启动。紧急情况下的快速升温的热冲击。以及正常工况下的接口管道力，以及紧急情况下的接口管道力。
首先算出热场随时间的变化，如上图。再算出各个时刻的应力状态。如下
定义疲劳校核相关参数，其中分为工况相应输入和材料相应矫正系数：
再对所有状态利用二次开发程序，基于RCCM如上节中所述方法求得相应的全疲劳使用系数。
当结果小于1时，疲劳强度被证明足够。
另外，此方法的数据经过和Excel处理数据进行比对，以此来验证二次开发的正确性。
以此，我们可以全局地看到结构整体的疲劳使用系数。
三、RCCM方法与CODAP、EN13480的比较
CODAP疲劳分析的内容主要由两部分组成: 简化疲劳寿命评价(C11.2)和详细疲劳寿命评价(C11.3)。简化疲劳寿命分析通常考虑单纯压力变化状态，对于温度变化，循环次数等有比较严苛的适用要求。详细疲劳寿命分析是一种通用的方法，要求利用详细的应力分析来进行应力幅值的评判，通常结果更趋于实际情况。
CODAP对材料厚度和温度进行了矫正。进一步引入了焊接区域和非焊接区域，采用了不同的厚度校正系数。对不同的焊接形式，其系数亦有所不同。在实际有限情况的分析比较中，CODAP简化方法与RCCM两种校核方式疲劳系数相近。
EN 13445-3 17、18章节综合了RCCM和CODAP方法的特点。在此基础上，对于材料结构缺陷进一步定义了矫正系数。对于母材，引入了表面粗糙度校正系数，对于焊接区域，采用热点应力，对于焊接区域常采用线性化的结构应力来考量。并且对有限元模型在焊接区域的网格和差值进行了推荐，从而使结果的偏差更小。
同样的，EN13445更严苛的要求给二次开发，以及结果可视化带来了更多的挑战。用时由于它的先进性，进而必然成为此方法的演化方向。
参考文献：
［1］RCC-M Design And Construction Rules For Mechanical Components Of PWR Nuclear Island-Section I:Subsection C, Edition 2007.[S]
［2］BS EN 13445-3; 2009, Unfired Pressure Vessels-Part 3: Design.[S]
［3］CODAP French Code for Construction of Unfired Pressure Vessels, Part C: calculation rules, Edition 2001.[S]
［4］谭蔚， 王泽军． EN13445压力容器疲劳评定方法及其应用． 压力容器，2013， 01 （）．
［5］侯少毅，李东铭. CODAP标准疲劳分析方法及其与JB4732-1995分析对比. 化工设备与管道，2015， 04 （）.
论文作者:王偲
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第07期
论文发表时间:2019/9/3
标签：应力论文; 疲劳论文; 工况论文; 系数论文; 方法论文; 压力容器论文; 载荷论文; 《科学与技术》2019年第07期论文;