01 案例背景

歧管是化石燃料發電站的重要部件之一，用于將蒸汽收集匯總。在日常的工廠運行周期里，歧管易受到機械疲勞的影響；同時受運行階段的溫度和應力條件影響，也會出現蠕變的現象。

圖1 SHT型歧管

為了評估歧管的相關設計參數，特別是厚度對其壽命的影響，法國電力公司開展DUCAT項目計劃進行相關模擬，從而幫助設計與日常維護。

02 研究方法

在此案例中，分別針對Champagne sur-Oise火電站使用的歧管與該型歧管壁厚減少20%的改進設計進行模擬。為了滿足計算精確度的要求，在建模與網格劃分中共生成14286 個節點（共42858 個自由度）和 17364 個二次單元（10930 個六面體和 6434 個四邊形面單元，用于邊界條件的設置）。邊界條件采用持續5min的-38℃/min溫度梯度的不利溫度瞬態。這是常見于火電站啟動期間次數較少但幅值較大的降溫循環。

圖2 歧管瞬態溫度變化

對于歧管在這個減溫循環中的行為計算，需要一個新的模型去描述歧管的機械疲勞與蠕變現象。對此在通用結構仿真軟件中調用VISC_CIN2_CHAB模型，這是一種Chaboche 類型的新粘彈塑性行為模型，包括兩個隨動強化和一個非線性各向同性強化。同時使用宏命令MACR_RECAL對所研究的歧管材料，牌號為10CD9-10鋼的行為規律進行了識別，并成功地與 MMC 部門通過 SIDOLO識別的結果進行了比較。

圖3 MACR_RECAL識別結果驗證

03 結果

在降溫循環過程中，冷沖擊結束時，如圖4所示，在接頭部分承受著較大的溫度梯度。同時，如圖5所示，該處的溫度梯度會引起較大的應力分布，接頭部分會顯示出疲勞問題，因此，疲勞現象僅局限于具有很大溫度梯度的部分。

圖4 冷沖擊結束后的溫度場（℃）

圖5 冷沖擊結束后的應力分布

使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關鍵部位上的累積塑性形變結果，將兩種設計的歧管的累積塑性形變進行對比，降溫瞬態下的塑性變形結果如圖6所示，與原本設計相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設計，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計算結果見表1。在以后的計算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計算的結果用于所研究的兩種設計，以確定蠕變損傷情況。最終使用疲勞-蠕變相互作用的非線性模型可以在一定的可信度下評估歧管受到該典型負載時的壽命。

圖6 減溫循環期間在塑性最大應力的高斯積分點處累積塑性變形（%）

表1 疲勞損傷計算(Manson-Coffin曲線)

04 總結

在通用結構仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機械疲勞與蠕變行為進行模擬，從而對其壽命進行預測，為將來重要部件的設計與日常維護提供了新方法。本次模擬結果表明可以通過降低歧管壁厚的方法降低因冷沖擊帶來的機械疲勞現象。

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