第六章压力容器设计技术进展III.

第六章压力容器设计技术进展III潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院第六章压力容器设计技术进展2第一节近代化工容器设计技术进展概述第二节化工容器的应力分析设计第三节容器的疲劳设计第四节容器的防脆断设计及缺陷评定第五节化工容器的高温蠕变第六节化工低温压力容器第六章压力容器设计技术进展第六章压力容器设计技术进展3第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变二、化工容器的高温设计三、高温压力容器的残余寿命第六章压力容器设计技术进展第六章压力容器设计技术进展4第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变大量的化工容器是在高于室温的条件下工作的。金属材料的强度随温度而发生变化。对高温压力容器要区别两种不同的情况。第一种是工作温度在容器材料的蠕变温度以下，设计时是以该材料在工作温度下的机械强度为基准，按通常的安全系数选取许用应力。第二种是工作温度在容器材料的蠕变温度以上，此时必须考虑材料的蠕变特性，按照容器的设计寿命来确定许用的应力水平。本节要讨论的是第二种情况。第六章压力容器设计技术进展5第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变蠕变温度指材料开始呈现蠕变现象的温度，对各种不同材料是不同的。一般金属材料的蠕变温度Tc为：式中，Tm为金属材料的熔点(K)。实际上，每种具体钢号或金属牌号都有不同的蠕变温度。大体上：碳钢350oC低合金钢400~450oC耐热合金钢600oC有色金属及其合金的蠕变温度较低，如铅及钛等在室温时受载就会发生蠕变。当金属材料在高于蠕变温度的温度下工作时，会产生两种现象：蠕变变形与蠕变断裂。在这里不作金属学的探讨，而从工程应用的观点作现象学的分析。为了叙述简便，下面把“高于蠕变起始温度”简称为“高温”。第六章压力容器设计技术进展6第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变金属材料在高温与应力的共同作用下，会产生缓慢的不可回复的变形，称为蠕变变形，如以应变表述，即为蠕变应变ec。(一)蠕变变形在光滑试样单向拉伸试验下，在恒定温度与恒定应力作用下，试样的应变—时间关系如图所示。蠕变变形有三个阶段，第一阶段(01)为降速阶段，第二阶段(12)为恒速阶段，第三阶段(23)为加速阶段，到点3发生断裂。第六章压力容器设计技术进展7第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变(一)蠕变变形在恒定温度与不同应力下测试时，可以得到一组曲线，如图所示。图中s1s2s3。应力越小则应变越小，相应地，应变速率越小。通常在8个以上的不同应力水平做试验，归纳出蠕变应变与应力、时间的关系式：如果温度T恒定，则工程上为计算方便，常忽略第一阶段与第三阶段，仅取第二阶段，即恒速阶段。蠕变的应变速率可以用下式表达：这就是有名的Norton-Bailey公式，沿用了几十年。但应当指出，它是一个粗略的公式，不能满足按分析设计的要求。第六章压力容器设计技术进展8第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变在高温和应力的长时间作用下，金属材料到一定时间就会断裂，从下面两张图可以看出。蠕变断裂寿命2R(小时)随应力的降低而延长。通常用光滑试样在恒定应力和恒定温度下作试验。在一定应力下的蠕变断裂时间称为该应力下的蠕变断裂寿命，反过来，在一定时间下产生蠕变断裂的应力称为该时间内的“持久强度”。(二)蠕变断裂第六章压力容器设计技术进展9第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关系曲线。多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关系曲线。(二)蠕变断裂多数钢材，应力-寿命曲线有一个转折点F，标志断裂机制的转变。当应力高于F点时，断裂是穿晶的，断口为韧窝状，纵断面上可观察到晶粒的拉长。当应力低于F点时，断裂机制为沿晶界面的断裂(沿晶断裂)，晶界上由于孔穴或微裂纹的积聚连贯而最终导致沿晶的宏观裂纹扩展，引向断裂。第六章压力容器设计技术进展10第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变蠕变与持久试验中数据的分散性很大，要在相当多的试样的基础上才能得到一条代表性的平均曲线。如果曲线的两段均可近似地看作直线，则s与tR的关系可用下式表述：式中，指数m为负值。显然，对二段曲线，B与m的值是不同的。(二)蠕变断裂工程上，由于设计寿命要求较长，在105h以上，所以s较低，此情况，是沿晶断裂，且总应变量比较小，所以失效时呈现“脆性断裂”的特征，但实际上与通常意义上的脆性断裂是有区别的。tR:断裂寿命第六章压力容器设计技术进展11第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变以上都是在高温下作长时间试验的情况。高温下短时拉伸试验，仍然可以获得材料在该温度下的屈服点sy抗拉强度sb与塑性形变曲线。但试验的速度相对要快一些。若试验速度慢于高应力下的蠕变速度，则会出现应力平台，此时应力上不去而应变不断增加。图示是高温下短时拉伸试验的示意图。高温短时拉伸曲线(快速拉伸)有时对计算应力集中部位初始加载时的变形量有用。(二)蠕变断裂第六章压力容器设计技术进展12第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变二、化工容器的高温设计三、高温压力容器的残余寿命第六章压力容器设计技术进展第六章压力容器设计技术进展13第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计对于在蠕变温度以上工作的化工容器，失效的判据与一般压力容器不同，通常考虑两种失效形式：第一种是由于蠕变而产生过大的永久变形，导致部件的失效，对此，应设定在设计寿命范围的允许变形量；第二种是由于在恒应力作用下，材料达到了蠕变断裂寿命而开裂，对此应根据容器的设计寿命找出相应的持久强度值，并限制工作应力小于持久强度。第六章压力容器设计技术进展14第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(1)变形准则按照100,000h后应变不超过1％(0.01)的限制，从蠕变数据中找到应变速率为：时的应力，称之为材料的蠕变强度，代号为s10-7。蠕变试验数据的温度应与容器工作温度相同。(一)高温压力容器的常规设计常规设计的思路是对重要部位的最大主应力加以限制。在我国规范中，针对上述两种失效形式，规定了高温下许用应力的设定方法。此时，许用应力为：式中，安全系数nn＝1.0。第六章压力容器设计技术进展15第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计(2)断裂准则按照100,000h的持久强度为基准，保证材料在工作lO5h后不发生断裂。lO5h的持久强度取代号为s105，则许用应力为：式中，安全系数nD取为1.5～1.6。实际设计的许用应力取两者之小值。常规设计的思路是对重要部位的最大主应力加以限制。在我国规范中，针对上述两种失效形式，规定了高温下许用应力的设定方法。第六章压力容器设计技术进展16第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计可以讨论的是，对压力容器与管道而言，产生一点永久变形并无多少妨碍；再说，l％的变形量似乎也限制得太严了一点。所以近年来的英国规范已取消了按变形准则设计。在有些国家的规范上尚未取消，只是由于保留传统做法而已。世界各国已普遍认识到，对于高温压力容器，真正危险的是蠕变断裂。第六章压力容器设计技术进展17第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(一)高温压力容器的常规设计再一方面，105h的设计寿命对有些重要装置来说又显得不够。现代的化工、石油、动力等装备趋向大型化，尺寸越来越大，设备成本很高，要求使用寿命长。不少国家的锅炉行业已经把设计寿命定为20年或2X105h，核电站趋向于更高。这一趋势带来的问题是蠕变数据缺少，因为做蠕变与持久试验是很花钱很费时的，而数据外推的方法的可靠性总还是要一定数量的实时数据来验证。蠕变数据的积累需要广泛的国际合作，这种合作已进行若干年了。第六章压力容器设计技术进展18第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路美国规范ASMEⅧ—1是常规设计，它的范围包含了高温压力容器设计，具体的处理就是在给定材料的许用应力时当工作温度超过蠕变温度，就以蠕变极限或持久强度为基准。ASMEⅧ—2是分析设计，它在适用范围中明确规定不涉及有蠕变的压力容器，在给定许用应力时也只限于在蠕变温度以下。ASMEⅢ与ASMEⅧ—2相同，但是在实际应用时碰到了一个问题，即某些核反应堆是在蠕变温度以上工作的。为此，ASME在20世纪70年代后期编写了一份《规范案例N-47))，作为高温压力容器分析设计的依据，并期望在使用若干年后编人ASMEⅢ的正文。N-47同样也适用于非核压力容器。在石油化工和煤化工行业中近代的大型加氢反应器严格讲也应属于按分析设计的重大设备，第六章压力容器设计技术进展19第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路对高温压力容器进行分析设计，涉及许多理论和实际经验问题，也涉及更周到的材料性能试验问题。这里仅提及一些重要的考虑因素：(1)蠕变计算方法必须考虑到容器部件总是处在多向应力状态下，而蠕变的基础数据是在单向拉伸下获得的[ec=f(T,s,t)]。——如何选择适当的当量流变应力使之有可能利用基础数据是一个应力分析中首先要解决的问题。——其次，实际构件中的多向应力又往往是沿厚度变化或不均匀分布的，随着时间的进程，各点上的蠕变应变是不一样的，由此就引起了“蠕变应力再分布”。——简言之，不仅要研究初始应力分布，而且要分析应力历史。第六章压力容器设计技术进展20第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路(2)蠕变断裂寿命估算在多向应力下，如何利用单向拉伸的应力-寿命数据，这是一个在科学研究中尚未解决的问题，设计者须选择一种合理的假设。再者，从上一段所述，应当考虑应力历史对寿命的影响，亦即采用一种合适的累积寿命规律。(3)蠕变与疲劳交互作用当高温压力容器要求作疲劳设计时，必须考虑蠕变与疲劳的交互作用。这种作用对不同的材料是不同的，而且与应力水平、应力幅、应变速率等因素都有关系。这时需要有足够的实验数据，并且考虑到单向拉压试件与实际结构的多向应力状态之间如何联系起来。第六章压力容器设计技术进展21第五节化工容器的高温蠕变二、化工容器的高温设计(二)高温压力容器分析设计的思路(4)松弛问题对高温容器的螺栓连接，要作松弛分析。在初安装时，应力和应变量是一定的，而这应变是弹性应变。在工作时，总应变量保持不变，由于蠕变的关系，蠕变应变一步步取代弹性应变，这样螺栓中的应力就会下降。应采取措施使密封处保持不漏，或者估算出定期再上紧螺栓的时间间隔。以上简要地提了一些应考虑的项目，真正要进行按分析设计需要相当深入的专题学习和研究。第六章压力容器设计技术进展22第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变二、化工容器的高温设计三、高温压力容器的残余寿命第六章压力容器设计技术进展第六章压力容器设计技术进展23高温压力容器的研究目前还很不充分，而在工业上的应用却已有几十年的历史，以前设计并投产的高温压力容器大多数是保守的，所以现在工业界面对着大量的“超期服役”的高温压力容器，其使用期远超过105h，这些压力容器能否继续安全服役，是工业界普遍关心的问题。另一方面，也有一些较新的容器，虽然设计寿命未到，但在定期检查中发现了裂纹，在此情况下，还能有多少残余寿命，是否需要焊补，也是工程师关心的问题。残余寿命问题可分为两类：第一类是未发现宏观裂纹但材料已经过长期使用(高温和应力下)，还能用多久；第二类是发现了宏观裂纹，裂纹的扩展速率如何，还有多少时间会达到临界尺寸。第五节化工容器的高温蠕变三、高温压力容器的残余寿命第六章压力容器设计技术进展24对这种材料，无损检测是无能为力的。表面金相也未必能代表整个材料的内部情况，因此，往往必须取样分析。取样以后，最老实的办法是重做蠕变或持久试验。但这种试验旷日持久，解决不了工程上迫切需要决策的问题，例如，要决定下一次大