蠕变工况下的压力容器设计方法.pdf

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1、第53卷第6期化工设备与管道Vol.53No.62016年12月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGDec.2016·压力容器·蠕变工况下的压力容器设计方法秦叔经（全国化工设备设计技术中心站，上海200040）摘要：高温条件下操作的设备设计需要考虑其由于蠕变而引起的失效。承受力载荷的元件在高温下会产生进展性蠕变，该现象将加速元件的强度破坏或失稳失效；而承受位移载荷的元件在高温下将发生应力松弛，该现象往往会使得密封结构产生泄漏。元件在蠕变工况下的强度设计一般可利用目前各国标准规范提供的公式设计方法进行，也可利用EN13445中的直接法。但在标准中确定许用应

2、力所用的蠕变持久极限一般规定为10万小时，当设备的设计寿命高于该时间值时，GB150和ASME规范均没有给出处理方法。另外，元件在蠕变工况下的外压失稳设计在GB150和ASMEVIII-1、ASMEVIII-2中均未给出方法。对于螺栓法兰连接结构设计，GB150和ASME规范也没有考虑蠕变工况。针对蠕变工况下受压元件设计中的以上三个问题，通过引用文献和标准中给出的方法提出了解决方案。同时，对分析设计方法在蠕变条件下的适用性及应用进行了分析。最后，对蠕变和疲劳之间的相互影响进行了讨论。关键词：蠕变；进展性蠕变；应力松弛；蠕变断裂；失稳失效中图分类号：TQ050.2；

3、TH123文献标识码：A文章编号：1009-3281（2016）06-0001-000当受压元件同时处于高温和持续载荷作用时，的设计方法，使设计人员在工程设计中可以参考使会发生蠕变现象，一般认为蠕变温度范围约为金属温用。但一方面，这些规范中提供的方法均有其适用范[1]度T＞（0.25～0.35）T溶解。当元件承受外加力围和局限性；另一方面，即使在这些方法的适用范围或力矩作用时，即使元件中的应力值不变，元件中的中进行使用，也必须充分理解方法的基本原理及其针变形（应变）也会随着时间的推移而不断增大，这种对的问题，这样才能使设计结果有效避免元件由于蠕[2]现象称为“进展

4、性蠕变”，在高参数压力容器设计变而引起的失效。中绝大部分需要考虑的即是这种蠕变，如高温操作1材料的基本蠕变特性的焦炭塔、操作温度高于475℃的加氢反应器，等等。还有一种蠕变现象称为“应力松弛”，这种现象是元随着温度的升高，材料的屈服点和弹性模量均件在位移载荷作用下发生的，如在法兰连接接头设将下降。同时，在持续外加力载荷作用下，材料的变计中，对于螺栓和垫片即要考虑这种应力松弛现象，形也将随着时间的增长而增长，这种变形是塑性变这时，需要选择采取必要的手段来防止由此引起的泄形，由此变形将伴随材料的应变强化过程。蠕变应变[5]漏。随着高温、高压设计参数在压力容器设计中的比

5、随时间变化的曲线见图1所示，图中曲线可以通过例不断升高，如何在设计中考虑蠕变可能对容器及其实验直接测得。在蠕变的初始阶段，应变强化效果将元件带来的伤害，从而采用合适的设计方法来避免强于蠕变软化的变形效果，蠕变引起的应变速率将呈这些可能的伤害成为近年来工程中急需解决的问题。现随时间下降的趋势。但在很短的时间段后，蠕变即特别对于某些既在蠕变温度下工作，又承受交变载荷的元件，在设计时需要同时考虑蠕变与疲劳带来的双收稿日期：2016-09-07重失效模式。作者简介：秦叔经对于工程中遇到的这些材料蠕变带来的问题，[3-4]国外压力容器设计规范近年来已陆续提出了相关·2·化工

6、设备与管道第53卷第6期图1等应力下的蠕变应变–时间曲线图2等时应力-应变曲线Fig.1CreepStrain-TimewithConstantStressFig.2IsochronousConstructiveCurve会进入其第二阶段。在高温长期作用下，材料的软化结构材料仍会由于高温软化而产生塑性变形，当这种效果越来越明显，当软化效果与应变硬化效果相当塑性变形不断累积而达到材料的变形极限值时，结构时，两者相互抵消，材料的应变速率将不变，此现象就会因材料的塑性断裂而失效。因此，对于高温工况在第二阶段的应变-时间曲线上呈现为一段直线。而下操作的设备，不能仅按材料的

7、短时力学性能来确在蠕变的最后阶段，软化效果逐渐超越应变硬化效果，定。各国压力容器设计标准和规范都规定当容器设计应变-时间曲线出现向上的反曲，直至材料断裂（见温度高于某一温度时，材料的许用应力除了需要考虑图1中应力为σ1的那条曲线）。当材料中的应力水平材料的即时屈服点和强度极限，还需要考虑高温下的下降时，应变速率也将随之下降，而达到材料发生断强度持久极限或蠕变极限。蠕变极限在[6]中定义为裂所需要的时间将越来越长。对于蠕变应变-时间曲“材料在设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变[2]线的第一和第二阶段，应变速率可以下式表达：极限平均值”。理论上，该蠕变极限值可在

8、图1中取d