高溫壓力容器

1、高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)一 概述 高溫壓力容器是指在高溫下運(yùn)行的容器。各國(guó)對(duì)高溫壓力容器的界限規(guī)定不同。中國(guó)規(guī)定大于350。理論上，在高于容器材料蠕變起始溫度下操作運(yùn)行的容器均應(yīng)視為高溫壓力容器。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 二 失效形式 高溫壓力容器失效形式較復(fù)雜，基本失效形式主要包括： 1.短期加載下的韌性斷裂； 2.長(zhǎng)期加載下的蠕變斷裂； 3.蠕變疲勞失效； 4.有不斷增長(zhǎng)的塑性變形和棘輪作用引起的嚴(yán)重變形； 5.短期加載引起的翹曲； 6.長(zhǎng)期加載引起的蠕變翹曲等。 高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)三 設(shè)計(jì)時(shí)主要困難1.疲勞； 容器的使用溫度越高，容器中各點(diǎn)的溫度變化就越大，不同結(jié)構(gòu)元件之間的溫差也就越大。這就

2、導(dǎo)致總應(yīng)變幅的增大。同時(shí)，由于在高溫下材料的屈服強(qiáng)度降低，又增加了塑性應(yīng)變集中的作用，而蠕變還會(huì)增加非彈性應(yīng)變集中和疲勞損傷最終導(dǎo)致熱疲勞載荷的增加和材料的抗疲勞強(qiáng)度降低。因此，在高溫下使用的容器，疲勞是一個(gè)主要的失效原因。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)2.蠕變影響 大多數(shù)高溫壓力容器用鋼在低蠕變應(yīng)變下易于發(fā)生斷裂，蠕變應(yīng)變一般集中在晶界，特別是當(dāng)晶粒的滑移阻力大，使得蠕變應(yīng)變速率較低時(shí)更是如此。即使條件應(yīng)變(工程應(yīng)變)值很低，晶界處的應(yīng)變?nèi)钥上喈?dāng)高并在晶界處形成空穴，進(jìn)而產(chǎn)生晶間裂紋，導(dǎo)致低條件應(yīng)變下的斷裂。目前石化企業(yè)的工作溫度上限550，己部分達(dá)到或接近這些材料需要蠕變分析的溫度，這時(shí)蠕變的影響可

3、能較大，蠕變將和疲勞進(jìn)行交互作用加速材料的損傷進(jìn)程高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)3.選材 對(duì)于不同的操作溫度應(yīng)選擇不同的材料。一般低碳鋼的蠕變溫度在350左右，低合金鋼在400-450之間，高溫合金則可大于600。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮材料力學(xué)性能，耐熱性能，抗疲勞性能和化學(xué)成分等因素。 基本判據(jù)：蠕變極限 持久強(qiáng)度 松弛穩(wěn)定性（緊固件）高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 目前，高壓鍋爐和高溫壓力容器所用的耐熱鋼一般都是低合金耐熱鋼，常用的有鉬鋼Mo、鉻鉬鋼Cr-Mo及鉻鉬釩鋼 CrMoV三大類。它們的合金元素含量少，工藝性能好，廣泛用于制造使用溫度在600以下的承壓部件。常用的鋼種有16Mo、12CrMo、15CrMo

4、、12Cr1MoV等。一些承壓部件工作溫度可能更高些，則采用高合金鎳鉻鋼，如OCrl8Ni9、OCr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等 高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)四 設(shè)計(jì)方法1.常規(guī)設(shè)計(jì) 許用應(yīng)力按高溫壓力容器蠕變極限或持久強(qiáng)度選取 (1)變形準(zhǔn)則 按照105小時(shí)后應(yīng)變不超過(guò)1的限制，從蠕變數(shù)據(jù)中找到應(yīng)變速率為： =110-7 即材料的蠕變極限，代號(hào)10-7。由試驗(yàn)得到的許用應(yīng)力為t= 10-7/ns 式中 ns蠕變極限材料設(shè)計(jì)系數(shù)，ns=1.0高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)(2)斷裂準(zhǔn)則 按照105小時(shí)的持久強(qiáng)度為基準(zhǔn)，保證材料在工作105小時(shí)后不發(fā)生斷裂。105小時(shí)的持久強(qiáng)度取代號(hào)為105，則 許用應(yīng)

5、力為 t= 105/nd 式中 nd持久強(qiáng)度材料設(shè)計(jì)系數(shù)，對(duì)持久強(qiáng)度平均值 nd1.5，對(duì)持久強(qiáng)度最小值nd1.25 設(shè)計(jì)中取兩者中的較小值（因?yàn)槿萜鞑⒎鞘窃谧罡邷囟认麻L(zhǎng)期運(yùn)行）高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)2.分析設(shè)計(jì) 分析設(shè)計(jì)通常采用彈性應(yīng)力分析和塑性理論相結(jié)合的方法，可用于承受各種載荷，任何結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計(jì)。 采用的失效準(zhǔn)則為T(mén)resca最大切應(yīng)力理論：應(yīng)力分為一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)高溫設(shè)計(jì)分析流程圖高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)五 對(duì)高溫結(jié)構(gòu)的考慮 在高溫壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其材料，局部結(jié)構(gòu)，設(shè)備整體膨脹量等加以特別注意。 1）法

6、蘭 由于高溫時(shí)法蘭的工作溫度比螺栓高，法蘭的軸向伸長(zhǎng)比螺栓大，引起螺栓的溫差應(yīng)力，這種溫差應(yīng)力與由壓力引起的拉伸應(yīng)力疊加，會(huì)造成螺栓的屈服或蠕變。殼體和法蘭溫差越大，就越要加大預(yù)緊載荷?；蛘咴谶\(yùn)轉(zhuǎn)中，必須再緊螺栓。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 2 ) 防泄漏措施 (1)盡量減小筒體與法蘭之間的溫差，以免加大墊片預(yù)緊力而引起墊片疲勞和螺栓松弛造成泄漏 (2)采用活套法蘭，可以較好地抵抗熱沖擊和熱循環(huán)載荷。 (3)螺栓加彈性墊圈。 (4)在墊片與法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置隔熱襯環(huán)，用以改善法蘭、螺栓與墊片的受熱情況，降低其溫度以及它們之間的溫差，避免產(chǎn)生螺栓達(dá)到屈服和蠕變以及法蘭產(chǎn)生變形，這種措施對(duì)防燒、防漏有顯著的效

7、果。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)(5)采用套筒，可以加長(zhǎng)螺栓的長(zhǎng)度。(6)墊片的材質(zhì)選擇應(yīng)根據(jù)溫度、壓力的高低確定。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 3)其他注意事項(xiàng) 在生產(chǎn)過(guò)程中，裝置開(kāi)停車(chē)期間，應(yīng)嚴(yán)格控制升溫和降溫速率不得大于規(guī)定值。在開(kāi)車(chē)時(shí)，要嚴(yán)格按先升溫、后升壓的順序；停車(chē)時(shí)，要嚴(yán)格按先降壓、后降溫的規(guī)則進(jìn)行操作。 螺栓預(yù)緊時(shí)，要對(duì)稱均勻，合理地分級(jí)預(yù)緊;要嚴(yán)格控制螺栓的預(yù)緊扭力矩。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)高溫壓力容器設(shè)計(jì)的研究趨勢(shì) 高溫壓力容器的研究應(yīng)最大限度地滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求，在不增加成本的前提下，最大限度地提高容器的使用壽命，高溫壓力容器設(shè)計(jì)在以下幾個(gè)方面值得深入研究： (1)提高高溫壓力容器用材的高

8、溫性能，這是最直接的主攻研究方向。但由于研究高溫材料的費(fèi)用高，而且周期較長(zhǎng)，非一般國(guó)家或研究單位能夠進(jìn)行，故這方面的先進(jìn)工藝和技術(shù)均掌握在少數(shù)先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家。目前可以通過(guò)以下幾種途徑： 高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 合金化。材料蠕變根本在于其自身的性質(zhì)。實(shí)際生產(chǎn)中，選用耐高溫的金屬，實(shí)質(zhì)上是選用熔點(diǎn)高，自擴(kuò)散激活能大，層錯(cuò)能低的元素或合金，因?yàn)檫@些元素?cái)U(kuò)散慢，有利于降低蠕變速率。使得蠕變變形困難。 冶煉工藝。金屬晶體內(nèi)部含有很多夾雜物或是氣體，使得晶內(nèi)有很多缺陷 。高溫合金的使用中，垂直于應(yīng)力方向的橫向晶界上易產(chǎn)生裂紋。定向凝固工藝，使柱狀晶沿受力方向生長(zhǎng)，減小橫向晶界，可大大提高持久強(qiáng)度，輪葉斷裂壽

9、命可提高四到五倍。 熱處理工藝。它是通過(guò)改變金屬晶體內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其熱激活運(yùn)動(dòng)。例如，形變熱處理是通過(guò)改變晶界的形狀形成多邊亞晶界，提高其持久強(qiáng)度。 晶粒度大小。對(duì)于金屬材料，當(dāng)使用溫度高于等強(qiáng)溫度時(shí)，細(xì)化晶粒不能再提高其常規(guī)的力學(xué)強(qiáng)度，相反，粗化晶?？梢蕴岣咪摰娜渥儤O限和持久強(qiáng)度。鎳基合金燃?xì)廨啓C(jī)的葉片已采用定向凝固的方法制成定向生長(zhǎng)的多晶體甚至單晶體，限制了原子在晶界附近的擴(kuò)散和定向流動(dòng)，使蠕變速率大為降低。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì)(2)提高缺陷評(píng)定技術(shù) 缺陷評(píng)定是為了估算容器制余壽命。傳統(tǒng)的高溫構(gòu)件壽命評(píng)定僅根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程，規(guī)定構(gòu)件達(dá)到某一設(shè)計(jì)壽命所能允許的最大工作應(yīng)力。它通常是材料

10、、溫度及時(shí)間的函數(shù), 并通過(guò)材料的破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其外推值而確定。設(shè)計(jì)規(guī)程希望高溫構(gòu)件能夠安全運(yùn)行至設(shè)計(jì)壽命。但事實(shí)并非如此。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,傳統(tǒng)的高溫構(gòu)件壽命評(píng)定往往偏于保守, 為了在安全經(jīng)濟(jì)的前提下最大限度提高設(shè)備利用率, 目前開(kāi)發(fā)了新的壽命評(píng)定技術(shù)：應(yīng)力解析法、應(yīng)變測(cè)量法、金相組織檢驗(yàn)法、破壞試驗(yàn)法等。高溫壓力容器安全設(shè)計(jì) 其中應(yīng)力解析法是根據(jù)實(shí)際構(gòu)件的幾何形狀、運(yùn)行溫度、壓力監(jiān)測(cè)記錄, 利用解析法或有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析, 計(jì)算構(gòu)件在運(yùn)行過(guò)程中所受的熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力, 并結(jié)合材料的強(qiáng)度數(shù)據(jù)而進(jìn)行剩余壽命估算的方法。由于應(yīng)力解析法可以指明構(gòu)件最危險(xiǎn)的部位,這是運(yùn)用其他方法的前提，因而應(yīng)力解析法是壽命評(píng)定程序中不可或缺的環(huán)節(jié)。但應(yīng)力解析法通常使壽命估計(jì)偏于保守，所以