1、第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 III 潘家禎華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展2第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)第三節(jié) 容器的疲勞設(shè)計(jì)第四節(jié) 容器的防脆斷設(shè)計(jì)及缺陷評(píng)定第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變第六節(jié) 化工低溫壓力容器第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展3第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 一、金屬材料的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì) 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展4第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 大量的化工容器是在高于室溫的條件下工作的。金屬材

2、料的強(qiáng)度隨溫度而發(fā)生變化。l 對(duì)高溫壓力容器要區(qū)別兩種不同的情況。l 第一種是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以下，設(shè)計(jì)時(shí)是以該材料在工作溫度下的機(jī)械強(qiáng)度為基準(zhǔn)，按通常的安全系數(shù)選取許用應(yīng)力。l 第二種是工作溫度在容器材料的蠕變溫度以上，此時(shí)必須考慮材料的蠕變特性，按照容器的設(shè)計(jì)壽命來確定許用的應(yīng)力水平。本節(jié)要討論的是第二種情況。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展5第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 蠕變溫度指材料開始呈現(xiàn)蠕變現(xiàn)象的溫度，對(duì)各種不同材料是不同的。一般金屬材料的蠕變溫度Tc為： 式中，Tm為金屬材料的熔點(diǎn)(K)。實(shí)際上，每種具體鋼號(hào)或金屬牌號(hào)都有不同的蠕變溫度。大體上：碳

3、鋼 350oC 低合金鋼 400450oC 耐熱合金鋼 600oC l 有色金屬及其合金的蠕變溫度較低，如鉛及鈦等在室溫時(shí)受載就會(huì)發(fā)生蠕變。l 當(dāng)金屬材料在高于蠕變溫度的溫度下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：蠕變變形與蠕變斷裂。在這里不作金屬學(xué)的探討，而從工程應(yīng)用的觀點(diǎn)作現(xiàn)象學(xué)的分析。為了敘述簡(jiǎn)便，下面把“高于蠕變起始溫度”簡(jiǎn)稱為“高溫”。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展6第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 金屬材料在高溫與應(yīng)力的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生緩慢的不可回復(fù)的變形，稱為蠕變變形，如以應(yīng)變表述，即為蠕變應(yīng)變ec。 (一)蠕變變形 l 在光滑試樣單向拉伸試驗(yàn)下，在恒定溫度與恒定應(yīng)力作用下

4、，試樣的應(yīng)變時(shí)間關(guān)系如圖所示。l 蠕變變形有三個(gè)階段，第一階段(01)為降速階段，第二階段(12)為恒速階段，第三階段(23)為加速階段，到點(diǎn)3發(fā)生斷裂。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展7第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變(一)蠕變變形 l 在恒定溫度與不同應(yīng)力下測(cè)試時(shí)，可以得到一組曲線，如圖所示。圖中s1s2s3。應(yīng)力越小則應(yīng)變?cè)叫?，相?yīng)地，應(yīng)變速率越小。 l 通常在8個(gè)以上的不同應(yīng)力水平做試驗(yàn)，歸納出蠕變應(yīng)變與應(yīng)力、時(shí)間的關(guān)系式： 如果溫度T 恒定，則 l 工程上為計(jì)算方便，常忽略第一階段與第三階段，僅取第二階段，即恒速階段。蠕變的應(yīng)變速率可以用下式表達(dá)： 這就是有名的Nort

5、on-Bailey公式，沿用了幾十年。但應(yīng)當(dāng)指出，它是一個(gè)粗略的公式，不能滿足按分析設(shè)計(jì)的要求。第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展8第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 在高溫和應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下，金屬材料到一定時(shí)間就會(huì)斷裂，從下面兩張圖可以看出。蠕變斷裂壽命2R(小時(shí))隨應(yīng)力的降低而延長(zhǎng)。通常用光滑試樣在恒定應(yīng)力和恒定溫度下作試驗(yàn)。在一定應(yīng)力下的蠕變斷裂時(shí)間稱為該應(yīng)力下的蠕變斷裂壽命，反過來，在一定時(shí)間下產(chǎn)生蠕變斷裂的應(yīng)力稱為該時(shí)間內(nèi)的“持久強(qiáng)度”。(二)蠕變斷裂 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展9第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 多個(gè)試樣在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，得到

6、材料的持久強(qiáng)度與蠕變斷裂壽命的關(guān)系曲線。l 多個(gè)試樣在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，得到材料的持久強(qiáng)度與蠕變斷裂壽命的關(guān)系曲線。(二)蠕變斷裂 l 多數(shù)鋼材，應(yīng)力-壽命曲線有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)F，標(biāo)志斷裂機(jī)制的轉(zhuǎn)變。l 當(dāng)應(yīng)力高于F點(diǎn)時(shí)，斷裂是穿晶的，斷口為韌窩狀，縱斷面上可觀察到晶粒的拉長(zhǎng)。l 當(dāng)應(yīng)力低于F點(diǎn)時(shí)，斷裂機(jī)制為沿晶界面的斷裂(沿晶斷裂)，晶界上由于孔穴或微裂紋的積聚連貫而最終導(dǎo)致沿晶的宏觀裂紋擴(kuò)展，引向斷裂。第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展10第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 蠕變與持久試驗(yàn)中數(shù)據(jù)的分散性很大，要在相當(dāng)多的試樣的基礎(chǔ)上才能得到一條代表性的平均曲線。如果曲線的兩段均

7、可近似地看作直線，則s與tR的關(guān)系可用下式表述：l 式中，指數(shù)m為負(fù)值。顯然，對(duì)二段曲線，B與m的值是不同的。(二)蠕變斷裂 l 工程上，由于設(shè)計(jì)壽命要求較長(zhǎng)，在105h以上，所以s較低，此情況，是沿晶斷裂，且總應(yīng)變量比較小，所以失效時(shí)呈現(xiàn)“脆性斷裂”的特征，但實(shí)際上與通常意義上的脆性斷裂是有區(qū)別的。 tR:斷裂壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展11第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變一、金屬材料的高溫蠕變l 以上都是在高溫下作長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的情況。l 高溫下短時(shí)拉伸試驗(yàn)，仍然可以獲得材料在該溫度下的屈服點(diǎn)sy抗拉強(qiáng)度sb與塑性形變曲線。但試驗(yàn)的速度相對(duì)要快一些。l 若試驗(yàn)速度慢于高應(yīng)力下的蠕變速度，則會(huì)出現(xiàn)

8、應(yīng)力平臺(tái)，此時(shí)應(yīng)力上不去而應(yīng)變不斷增加。圖示是高溫下短時(shí)拉伸試驗(yàn)的示意圖。l 高溫短時(shí)拉伸曲線(快速拉伸)有時(shí)對(duì)計(jì)算應(yīng)力集中部位初始加載時(shí)的變形量有用。 (二)蠕變斷裂 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展12第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 一、金屬材料的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì) 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展13第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)l 對(duì)于在蠕變溫度以上工作的化工容器，失效的判據(jù)與一般壓力容器不同，通常考慮兩種失效形式：l 第一種是由于蠕變而產(chǎn)生過大的永久變形，導(dǎo)致部件的失效，對(duì)此，應(yīng)設(shè)定在設(shè)計(jì)壽命范圍的允許變形

9、量；l 第二種是由于在恒應(yīng)力作用下，材料達(dá)到了蠕變斷裂壽命而開裂，對(duì)此應(yīng)根據(jù)容器的設(shè)計(jì)壽命找出相應(yīng)的持久強(qiáng)度值，并限制工作應(yīng)力小于持久強(qiáng)度。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展14第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)l (1)變形準(zhǔn)則 按照100,000h后應(yīng)變不超過1(0.01)的限制，從蠕變數(shù)據(jù)中找到應(yīng)變速率為： 時(shí)的應(yīng)力，稱之為材料的蠕變強(qiáng)度，代號(hào)為s10-7。蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)的溫度應(yīng)與容器工作溫度相同。 (一)高溫壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì) 常規(guī)設(shè)計(jì)的思路是對(duì)重要部位的最大主應(yīng)力加以限制。在我國規(guī)范中，針對(duì)上述兩種失效形式，規(guī)定了高溫下許用應(yīng)力的設(shè)定方法。 l 此時(shí)，許用應(yīng)力為： 式中，安

10、全系數(shù)nn1.0。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展15第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(一)高溫壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì) l (2)斷裂準(zhǔn)則 按照100,000h的持久強(qiáng)度為基準(zhǔn)，保證材料在工作lO5h后不發(fā)生斷裂。lO5h的持久強(qiáng)度取代號(hào)為s105，則許用應(yīng)力為： 式中，安全系數(shù)nD取為1.51.6。實(shí)際設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力取兩者之小值。 常規(guī)設(shè)計(jì)的思路是對(duì)重要部位的最大主應(yīng)力加以限制。在我國規(guī)范中，針對(duì)上述兩種失效形式，規(guī)定了高溫下許用應(yīng)力的設(shè)定方法。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展16第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(一)高溫壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì) l 可以討論的是，對(duì)壓

11、力容器與管道而言，產(chǎn)生一點(diǎn)永久變形并無多少妨礙；再說，l的變形量似乎也限制得太嚴(yán)了一點(diǎn)。l 所以近年來的英國規(guī)范已取消了按變形準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。在有些國家的規(guī)范上尚未取消，只是由于保留傳統(tǒng)做法而已。l 世界各國已普遍認(rèn)識(shí)到，對(duì)于高溫壓力容器，真正危險(xiǎn)的是蠕變斷裂。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展17第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(一)高溫壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì) l 再一方面，105h的設(shè)計(jì)壽命對(duì)有些重要裝置來說又顯得不夠。現(xiàn)代的化工、石油、動(dòng)力等裝備趨向大型化，尺寸越來越大，設(shè)備成本很高，要求使用壽命長(zhǎng)。l 不少國家的鍋爐行業(yè)已經(jīng)把設(shè)計(jì)壽命定為20年或2X105h，核電站趨向于更高。這一

12、趨勢(shì)帶來的問題是蠕變數(shù)據(jù)缺少，因?yàn)樽鋈渥兣c持久試驗(yàn)是很花錢很費(fèi)時(shí)的，而數(shù)據(jù)外推的方法的可靠性總還是要一定數(shù)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。l 蠕變數(shù)據(jù)的積累需要廣泛的國際合作，這種合作已進(jìn)行若干年了。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展18第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(二)高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的思路 l 美國規(guī)范ASME1是常規(guī)設(shè)計(jì)，它的范圍包含了高溫壓力容器設(shè)計(jì)，具體的處理就是在給定材料的許用應(yīng)力時(shí)當(dāng)工作溫度超過蠕變溫度，就以蠕變極限或持久強(qiáng)度為基準(zhǔn)。l ASME2是分析設(shè)計(jì)，它在適用范圍中明確規(guī)定不涉及有蠕變的壓力容器，在給定許用應(yīng)力時(shí)也只限于在蠕變溫度以下。l ASME與ASME2相

13、同，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)碰到了一個(gè)問題，即某些核反應(yīng)堆是在蠕變溫度以上工作的。為此，ASME在20世紀(jì)70年代后期編寫了一份規(guī)范案例N-47)，作為高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的依據(jù)，并期望在使用若干年后編人ASME的正文。l N-47同樣也適用于非核壓力容器。在石油化工和煤化工行業(yè)中近代的大型加氫反應(yīng)器嚴(yán)格講也應(yīng)屬于按分析設(shè)計(jì)的重大設(shè)備，第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展19第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(二)高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的思路 l 對(duì)高溫壓力容器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，涉及許多理論和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)問題，也涉及更周到的材料性能試驗(yàn)問題。這里僅提及一些重要的考慮因素：l (1)蠕變計(jì)算方法 必須考慮

14、到容器部件總是處在多向應(yīng)力狀態(tài)下，而蠕變的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是在單向拉伸下獲得的ec=f(T,s,t)。 如何選擇適當(dāng)?shù)漠?dāng)量流變應(yīng)力使之有可能利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是一個(gè)應(yīng)力分析中首先要解決的問題。 其次，實(shí)際構(gòu)件中的多向應(yīng)力又往往是沿厚度變化或不均勻分布的，隨著時(shí)間的進(jìn)程，各點(diǎn)上的蠕變應(yīng)變是不一樣的，由此就引起了“蠕變應(yīng)力再分布”。 簡(jiǎn)言之，不僅要研究初始應(yīng)力分布，而且要分析應(yīng)力歷史。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展20第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(二)高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的思路 l (2)蠕變斷裂壽命估算 在多向應(yīng)力下，如何利用單向拉伸的應(yīng)力-壽命數(shù)據(jù)，這是一個(gè)在科學(xué)研究中尚未解決的問題，

15、設(shè)計(jì)者須選擇一種合理的假設(shè)。再者，從上一段所述，應(yīng)當(dāng)考慮應(yīng)力歷史對(duì)壽命的影響，亦即采用一種合適的累積壽命規(guī)律。l (3)蠕變與疲勞交互作用 當(dāng)高溫壓力容器要求作疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮蠕變與疲勞的交互作用。這種作用對(duì)不同的材料是不同的，而且與應(yīng)力水平、應(yīng)力幅、應(yīng)變速率等因素都有關(guān)系。這時(shí)需要有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且考慮到單向拉壓試件與實(shí)際結(jié)構(gòu)的多向應(yīng)力狀態(tài)之間如何聯(lián)系起來。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展21第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì)(二)高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的思路 l (4)松弛問題 對(duì)高溫容器的螺栓連接，要作松弛分析。在初安裝時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變量是一定的，而這應(yīng)變是彈性應(yīng)變。在

16、工作時(shí)，總應(yīng)變量保持不變，由于蠕變的關(guān)系，蠕變應(yīng)變一步步取代彈性應(yīng)變，這樣螺栓中的應(yīng)力就會(huì)下降。應(yīng)采取措施使密封處保持不漏，或者估算出定期再上緊螺栓的時(shí)間間隔。 l 以上簡(jiǎn)要地提了一些應(yīng)考慮的項(xiàng)目，真正要進(jìn)行按分析設(shè)計(jì)需要相當(dāng)深入的專題學(xué)習(xí)和研究。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展22第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 一、金屬材料的高溫蠕變 二、化工容器的高溫設(shè)計(jì) 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展23l 高溫壓力容器的研究目前還很不充分，而在工業(yè)上的應(yīng)用卻已有幾十年的歷史，以前設(shè)計(jì)并投產(chǎn)的高溫壓力容器大多數(shù)是保守的，所以現(xiàn)在工業(yè)界面對(duì)著大量的“超期服役

17、”的高溫壓力容器，其使用期遠(yuǎn)超過105h，這些壓力容器能否繼續(xù)安全服役，是工業(yè)界普遍關(guān)心的問題。另一方面，也有一些較新的容器，雖然設(shè)計(jì)壽命未到，但在定期檢查中發(fā)現(xiàn)了裂紋，在此情況下，還能有多少殘余壽命，是否需要焊補(bǔ)，也是工程師關(guān)心的問題。 l 殘余壽命問題可分為兩類：第一類是未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋但材料已經(jīng)過長(zhǎng)期使用(高溫和應(yīng)力下)，還能用多久；第二類是發(fā)現(xiàn)了宏觀裂紋，裂紋的擴(kuò)展速率如何，還有多少時(shí)間會(huì)達(dá)到臨界尺寸。 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展24l 對(duì)這種材料，無損檢測(cè)是無能為力的。表面金相也未必能代表整個(gè)材料的內(nèi)部情況，因此，往往必須取樣分析

18、。l 取樣以后，最老實(shí)的辦法是重做蠕變或持久試驗(yàn)。但這種試驗(yàn)曠日持久，解決不了工程上迫切需要決策的問題，例如，要決定下一次大修中要不要換下。工程上很早就采用加速試驗(yàn)法，即提高試驗(yàn)溫度和應(yīng)力水平，然后外推到工作溫度和工作應(yīng)力水平。最早獲得廣泛應(yīng)用的是20世紀(jì)50年代Larson-Miller提出的參數(shù)外推公式： (一)未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的材料 如在較高溫度與較高應(yīng)力下做實(shí)驗(yàn)，得到P(s)與s的關(guān)系曲線，就可外推到較低溫度與較低應(yīng)力下，計(jì)算出JR。 試驗(yàn)溫度,K 斷裂壽命,h常數(shù)，隨材料而異，碳鋼，低合金鋼：C=20 應(yīng)力有關(guān)的參數(shù) 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容

19、器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展25l 由于Larson-Miller法不盡完善，近三十年來有相當(dāng)多的學(xué)者發(fā)展了各種不同的參數(shù)外推法，總的目標(biāo)是要通過加速試驗(yàn)來外推需要長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)才能得到的、實(shí)際工作溫度與工作應(yīng)力下的壽命數(shù)據(jù)，對(duì)已使用過的材料，這就是殘余壽命估計(jì)。l 除參數(shù)外推法外，還有一些其他的估計(jì)殘余壽命的方法，如“蠕變內(nèi)應(yīng)力法”等。 (一)未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的材料 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展26l 如果在容器或管道的某些部位經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)了宏觀裂紋，這時(shí)問題的性質(zhì)已起了變化，進(jìn)入了高溫?cái)嗔蚜W(xué)的范疇。l 首先是要了解蠕變裂紋的擴(kuò)展速率，并且把它與一個(gè)合適的斷

20、裂力學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來。l 最初是在20世紀(jì)70年代初，英國針對(duì)電站中發(fā)生的由蠕變裂紋擴(kuò)展而造成的事故以及查出大量的裂紋存在，用同樣的材料進(jìn)行了蠕變裂紋擴(kuò)展的測(cè)試。Siverns和Price提出用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來歸納數(shù)據(jù)，其公式為： (二)發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的情況 A為常數(shù)n為指數(shù)，鉻鉬鋼n6當(dāng)時(shí)利用這些研究結(jié)果，認(rèn)定90的裂紋可不必返修。 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展27l 其后的研究表明，用K來歸納蠕變裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，分散帶很寬，l 指數(shù)(n6，常大于6)很高，影響外推的準(zhǔn)確性。l 從理論上說，在蠕變狀態(tài)下，材料具有很高的塑性和韌性，用線彈性斷裂力

21、學(xué)參數(shù)K并不合理。 (二)發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的情況 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展28(二)發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的情況 l 1976年Landes和Begley提出了一個(gè)新的參數(shù)，命名為C*，數(shù)據(jù)歸納公式為：l C*的提出有一定的理論背景，十幾年來相當(dāng)多的人通過研究對(duì)C*得到較好的評(píng)價(jià)。從試件結(jié)果來看，用C*參數(shù)有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，一是數(shù)據(jù)分散性明顯減小，二是指數(shù)(約0.8)較低，有利于外推。l 然而C*在應(yīng)用上碰到一個(gè)大問題，即實(shí)際結(jié)構(gòu)中裂紋的C*值如何算法，這方面研究還剛開始。對(duì)比之下，結(jié)構(gòu)裂紋的K值計(jì)算卻有大量文獻(xiàn)可以參考。l 目前的狀況是，用K不合理

22、、不完善，但工程上可以應(yīng)付一下急迫的問題；用C*合理，數(shù)據(jù)歸納較有規(guī)律，但工程上應(yīng)用相當(dāng)困難，相信在今后幾年或十幾年中會(huì)有新的進(jìn)展。 指數(shù)值對(duì)鉻鉬鋼約為0.82 第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變 三、高溫壓力容器的殘余壽命第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展29第一節(jié) 近代化工容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展概述 第二節(jié) 化工容器的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)第三節(jié) 容器的疲勞設(shè)計(jì)第四節(jié) 容器的防脆斷設(shè)計(jì)及缺陷評(píng)定第五節(jié) 化工容器的高溫蠕變第六節(jié) 化工低溫壓力容器第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展30第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用二、低溫容器設(shè)計(jì)、制造中需注意的問題第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六

23、章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展31第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20oC的碳素鋼和低合金鋼制造的壓力容器屬于“低溫壓力容器”。l 化工廠中有不少容器的工作條件處于低溫下，例如液化乙烯、液化天然氣、液氮等的貯罐，石油化工裝置中的低溫分離系統(tǒng)等。l 有一些容器雖不屬于低溫操作，但由于環(huán)境溫度影響，殼體的金屬溫度可能達(dá)到低于或等于-20oC(例如中國北方地區(qū)的室外的無保溫的容器)，也應(yīng)當(dāng)按照低溫壓力容器處理。l 奧氏體高合金鋼制低溫容器在設(shè)計(jì)溫度高于或等于-196時(shí)，可不作為低溫壓力容器處理。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展32第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材

24、料選用l 鋼材隨著使用溫度的降低，會(huì)由延性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，抗沖擊性能會(huì)有很大的降低。l 當(dāng)存在難以避免的缺陷時(shí)，在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下受力，會(huì)導(dǎo)致脆斷，脆斷的發(fā)源點(diǎn)往往在應(yīng)力高度集中的部位，因此對(duì)低溫壓力容器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予特別的重視。l 低溫壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與常溫容器相同，但是在選材及其力學(xué)性能檢驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造要求等方面有更嚴(yán)格的規(guī)定。 l GB 150鋼制壓力容器附錄C“低溫壓力容器”即為現(xiàn)行的低溫壓力容器設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與驗(yàn)收規(guī)程。 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展33第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 韌性是壓力容器鋼的重要指標(biāo)，更是低溫壓力容器用鋼嚴(yán)格控制的指標(biāo)。材料

25、的韌性是強(qiáng)度與塑性的綜合反映，衡量鋼材韌性的指標(biāo)有多種，目前用標(biāo)準(zhǔn)V形缺口夏比試樣用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)得沖擊吸收功值A(chǔ)Kv，單位:J(焦耳)。l 低溫容器用鋼對(duì)沖擊功值有更為嚴(yán)格的要求，因?yàn)殡S著溫度的降低一些鋼(主要指鐵素體鋼)的韌性會(huì)下降。(一)低溫容器材料的韌性 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展34第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 圖為鋼材沖擊功值隨溫度變化的示意圖，存在一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度Tc(脆性轉(zhuǎn)變溫度)。l 在此溫度以下，沖擊功之值突然降低，斷裂韌性值KIR也明顯降低，標(biāo)志著鋼材進(jìn)入了脆性狀態(tài)。l 鋼材的使用溫度須高于脆性轉(zhuǎn)變溫度。同時(shí)低溫沖擊功值A(chǔ)KV必須大于某一數(shù)值，才能確保足夠

26、的韌性，避免發(fā)生脆斷。 (一)低溫容器材料的韌性 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展35第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l GB150規(guī)定了常用低溫容器鋼板的最低沖擊試驗(yàn)溫度。實(shí)際上就是鋼板允許的最低使用溫度。(一)低溫容器材料的韌性 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展36第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l GB150還給出了不同強(qiáng)度等級(jí)鋼的低溫沖擊時(shí)最低沖擊功的值。低溫容器鋼板復(fù)驗(yàn)時(shí)必須做低溫沖擊試驗(yàn)，沖擊試驗(yàn)溫度必須低于或等于容器或其受壓元件的最低設(shè)計(jì)溫度。(一)低溫容器材料的韌性 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展37第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 值得注意的

27、是，奧氏體鋼不像鐵素體鋼存在有低溫下的韌性降低和脆性轉(zhuǎn)變溫度的問題。奧氏體鋼不僅在常溫下有非常優(yōu)良的韌性，而且隨著溫度的降低其韌性幾乎保持不變。當(dāng)溫度降到一196oC時(shí)仍然如此。因此奧氏體不銹鋼是優(yōu)良的低溫容器用鋼，只是其價(jià)格遠(yuǎn)高于常用鐵素體類低溫用鋼。對(duì)到一196oC時(shí)奧氏體不銹鋼幾乎是惟一可以選用的低溫容器用鋼，任何鐵素體類鋼無法代替。l 有色金屬鋁和銅也是具有優(yōu)良低溫塑性和韌性的金屬材料。近年來大型空氣分離裝置低溫部分的容器大量采用鋁材制造，價(jià)格也較便宜。銅(紫銅和黃銅)因其資源不多和價(jià)格較高，也已逐漸不用于制造低溫容器。而且鋁、銅等有色金屬的強(qiáng)度也較低，不大適合制造大型低溫容器。 (一

28、)低溫容器材料的韌性 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展38第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 我國鋼制壓力容器(GB 150)采用了低溫壓力容器用低合金鋼厚鋼板技術(shù)條件(GB 3531)中4種鐵素體型低溫容器用鋼：16MnDR、07MnNiCrMoVDR、15MnNiDR、09MnNiDR。均屬于無鎳或節(jié)鎳的低溫用鋼。l 而對(duì)于一20oC的容器推薦采用20R或16MnR，因而構(gòu)成了上表所列的6種低溫用鋼。鋼號(hào)中的DR是漢語拼音“低容”的代號(hào)，其中20R是屬于抗拉強(qiáng)度sb450515MPa的低溫用鋼。在設(shè)計(jì)鋼種時(shí)，-70oC級(jí)以下的低溫鋼所追求的不在于提高強(qiáng)度，而在于保證低溫下能達(dá)到對(duì)

29、韌性的要求。 (二)低溫容器用鋼 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展39第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 作為低溫容器用鋼與普通的壓力容器用鋼相比，低溫容器用鋼有其較高的冶煉與檢驗(yàn)要求。主要有如下幾點(diǎn)。 l 在化學(xué)成分上，低溫容器用鋼的含碳量更低，添加少量韌化元素錳和鎳，對(duì)各元素分析的偏差控制加嚴(yán)，允許的磷、硫含量嚴(yán)于壓力容器用鋼，GB 3531中規(guī)定低溫鋼的磷、含量不得超過0.025、硫不超過0.015，而GB 6654壓力容器用鋼要求不超過0.035。l 在供貨的熱處理狀態(tài)上，低溫容器用鋼不允許以軋制狀態(tài)交貨，必須是正火狀態(tài)或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，這都為了確保材料的韌性。l 在力學(xué)性能上低溫

30、鋼略微降低了對(duì)強(qiáng)度(sb、sy)的要求，體現(xiàn)了寧可放棄些強(qiáng)度而要確保韌性的思想。 (二)低溫容器用鋼 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展40第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用l 在沖擊功值上由于要求在低溫下做沖擊試驗(yàn)，如果仍以常溫的AKV值來要求將顯得過于苛求，采用國際上通用的要求：對(duì)sb450515MPa的低溫鋼，要求AKV20J，而20R由于強(qiáng)度等級(jí)低，要求在18J以上即可。低溫容器制造廠必須進(jìn)行低溫沖擊功的復(fù)驗(yàn)。l 用于低溫容器殼體鋼板的厚度大于20mm時(shí)，應(yīng)逐張進(jìn)行超聲波探傷，剔除分層缺陷超標(biāo)的鋼板。 (二)低溫容器用鋼 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展41第六節(jié) 化工低溫壓力容器一

31、、低溫容器的材料選用l 我國的低溫鋼種曾因考慮資源而采用無鎳的鐵素體鋼，而國際上則較多采用含鎳的鐵素體鋼，如2.5鎳鋼、3.5鎳鋼，用于-100oC時(shí)則采用低碳含鎳的馬氏體9鎳鋼，直至采用奧氏體不銹鋼。l 我國常用的低溫壓力容器用鋼歸納起來可以分為三類。 第一類屬鐵素體類低溫鋼，僅用于-40-70oC范圍，包括GB 3531中列入的16MnDR、15MnNbDR、09Mn2VDR、09MnNbDR等4種。GBl50標(biāo)準(zhǔn)于2002年7月修改，不再推薦09Mn2VDR，而推薦了06MnNbDR(-90oC)和強(qiáng)度較高的07MnNiCrMoVDR(-40oC)(二)低溫容器用鋼 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)

32、技術(shù)進(jìn)展42第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用 第二類為低碳含鎳馬氏體鋼，如Ni9鋼，適用于-100-120oC，常用于建造大型液化天然氣貯罐，鋼板厚度不超過50mm的焊接時(shí)可不預(yù)熱，焊后可不做熱處理。但由于Ni9鋼焊接時(shí)易形成熱裂紋，常用于高鎳焊條焊接。 第三類低溫鋼是低鎳奧氏體鋼，主要用1Crl8Ni9(一196C)和15Mn26A14(一253C)，一般在固溶化狀態(tài)使用。 (二)低溫容器用鋼 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展43第六節(jié) 化工低溫壓力容器一、低溫容器的材料選用二、低溫容器設(shè)計(jì)、制造中需注意的問題第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展 第六章 壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)展44第六節(jié) 化工低溫壓力容器二、低溫容器設(shè)計(jì)、制造中需注意的問題 (一)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造中需注意的問題 l 在低溫壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，原則上應(yīng)當(dāng)盡力避免會(huì)造成局部高應(yīng)力的結(jié)構(gòu)因素，GB150指出： (i)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，減少約束； (ii)避免產(chǎn)生過大的溫度梯度； (iii)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化