高温压力容器

高温压力容器安全设计一概述高温压力容器是指在高温下运行的容器。各国对高温压力容器的界限规定不同。中国规定大于350℃。理论上，在高于容器材料蠕变起始温度下操作运行的容器均应视为高温压力容器。高温压力容器安全设计二失效形式高温压力容器失效形式较复杂，基本失效形式主要包括：1.短期加载下的韧性断裂；2.长期加载下的蠕变断裂；3.蠕变疲劳失效；4.有不断增长的塑性变形和棘轮作用引起的严重变形；5.短期加载引起的翘曲；6.长期加载引起的蠕变翘曲等。高温压力容器安全设计三设计时主要困难1.疲劳；容器的使用温度越高，容器中各点的温度变化就越大，不同结构元件之间的温差也就越大。这就导致总应变幅的增大。同时，由于在高温下材料的屈服强度降低，又增加了塑性应变集中的作用，而蠕变还会增加非弹性应变集中和疲劳损伤．最终导致热疲劳载荷的增加和材料的抗疲劳强度降低。因此，在高温下使用的容器，疲劳是一个主要的失效原因。高温压力容器安全设计2.蠕变影响大多数高温压力容器用钢在低蠕变应变下易于发生断裂，蠕变应变一般集中在晶界，特别是当晶粒的滑移阻力大，使得蠕变应变速率较低时更是如此。即使条件应变(工程应变)值很低，晶界处的应变仍可相当高．并在晶界处形成空穴，进而产生晶间裂纹，导致低条件应变下的断裂。目前石化企业的工作温度上限550℃，己部分达到或接近这些材料需要蠕变分析的温度，这时蠕变的影响可能较大，蠕变将和疲劳进行交互作用加速材料的损伤进程高温压力容器安全设计3.选材对于不同的操作温度应选择不同的材料。一般低碳钢的蠕变温度在350℃左右，低合金钢在400--450℃之间，高温合金则可大于600℃。设计时应综合考虑材料力学性能，耐热性能，抗疲劳性能和化学成分等因素。基本判据：蠕变极限持久强度松弛稳定性（紧固件）高温压力容器安全设计•目前，高压锅炉和高温压力容器所用的耐热钢一般都是低合金耐热钢，常用的有钼钢Mo、铬钼钢Cr--Mo及铬钼钒钢Cr—Mo—V三大类。它们的合金元素含量少，工艺性能好，广泛用于制造使用温度在600℃以下的承压部件。常用的钢种有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。一些承压部件工作温度可能更高些，则采用高合金镍铬钢，如OCrl8Ni9、OCr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等高温压力容器安全设计四设计方法1.常规设计许用应力按高温压力容器蠕变极限或持久强度选取(1)变形准则按照105小时后应变不超过1％的限制，从蠕变数据中找到应变速率为：ε=1×10-7即材料的蠕变极限，代号σ10-7。由试验得到的许用应力为[σ]t=σ10-7/ns式中ns——蠕变极限材料设计系数，ns=1.0高温压力容器安全设计(2)断裂准则按照105小时的持久强度为基准，保证材料在工作105小时后不发生断裂。105小时的持久强度取代号为σ105，则许用应力为[σ]t=σ105/nd式中nd——持久强度材料设计系数，对持久强度平均值nd≥1.5，对持久强度最小值nd≥1.25设计中取两者中的较小值（因为容器并非是在最高温度下长期运行）高温压力容器安全设计2.分析设计分析设计通常采用弹性应力分析和塑性理论相结合的方法，可用于承受各种载荷，任何结构形式的压力容器设计。采用的失效准则为Tresca最大切应力理论：应力分为一次总体薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力和峰值应力高温压力容器安全设计高温设计分析流程图高温压力容器安全设计五对高温结构的考虑在高温压力容器设计过程中，应对其材料，局部结构，设备整体膨胀量等加以特别注意。1）法兰由于高温时法兰的工作温度比螺栓高，法兰的轴向伸长比螺栓大，引起螺栓的温差应力，这种温差应力与由压力引起的拉伸应力叠加，会造成螺栓的屈服或蠕变。壳体和法兰温差越大，就越要加大预紧载荷。或者在运转中，必须再紧螺栓。高温压力容器安全设计2)防泄漏措施(1)尽量减小筒体与法兰之间的温差，以免加大垫片预紧力而引起垫片疲劳和螺栓松弛造成泄漏(2)采用活套法兰，可以较好地抵抗热冲击和热循环载荷。(3)螺栓加弹性垫圈。(4)在垫片与法兰内侧设置隔热衬环，用以改善法兰、螺栓与垫片的受热情况，降低其温度以及它们之间的温差，避免产生螺栓达到屈服和蠕变以及法兰产生变形，这种措施对防烧、防漏有显著的效果。高温压力容器安全设计(5)采用套筒，可以加长螺栓的长度。(6)垫片的材质选择应根据温度、压力的高低确定。高温压力容器安全设计3)其他注意事项在生产过程中，装置开停车期间，应严格控制升温和降温速率不得大于规定值。在开车时，要严格按先升温、后升压的顺序；停车时，要严格按先降压、后降温的规则进行操作。螺栓预紧时，要对称均匀，合理地分级预紧;要严格控制螺栓的预紧扭力矩。高温压力容器安全设计六高温压力容器设计的研究趋势高温压力容器的研究应最大限度地满足现代工业的需求，在不增加成本的前提下，最大限度地提高容器的使用寿命，高温压力容器设计在以下几个方面值得深入研究：(1)提高高温压力容器用材的高温性能，这是最直接的主攻研究方向。但由于研究高温材料的费用高，而且周期较长，非一般国家或研究单位能够进行，故这方面的先进工艺和技术均掌握在少数先进工业化国家。目前可以通过以下几种途径：高温压力容器安全设计合金化。材料蠕变根本在于其自身的性质。实际生产中，选用耐高温的金属，实质上是选用熔点高，自扩散激活能大，层错能低的元素或合金，因为这些元素扩散慢，有利于降低蠕变速率。使得蠕变变形困难。冶炼工艺。金属晶体内部含有很多夹杂物或是气体，使得晶内有很多缺陷。高温合金的使用中，垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹。定向凝固工艺，使柱状晶沿受力方向生长，减小横向晶界，可大大提高持久强度，轮叶断裂寿命可提高四到五倍。热处理工艺。它是通过改变金属晶体内部的组织结构，从而影响其热激活运动。例如，形变热处理是通过改变晶界的形状形成多边亚晶界，提高其持久强度。晶粒度大小。对于金属材料，当使用温度高于等强温度时，细化晶粒不能再提高其常规的力学强度，相反，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度。镍基合金燃气轮机的叶片已采用定向凝固的方法制成定向生长的多晶体甚至单晶体，限制了原子在晶界附近的扩散和定向流动，使蠕变速率大为降低。高温压力容器安全设计(2)提高缺陷评定技术缺陷评定是为了估算容器制余寿命。传统的高温构件寿命评定仅根据设计规程，规定构件达到某一设计寿命所能允许的最大工作应力。它通常是材料、温度及时间的函数,并通过材料的破坏试验数据及其外推值而确定。设计规程希望高温构件能够安全运行至设计寿命。但事实并非如此。实践经验表明,传统的高温构件寿命评定往往偏于保守,为了在安全经济的前提下最大限度提高设备利用率,目前开发了新的寿命评定技术：应力解析法、应变测量法、金相组织检验法、破坏试验法等。高温压力容器安全设计其中应力解析法是根据实际构件的几何形状、运行温度、压力监测记录,利用解析法或有限元法进行应力分析,计算构件在运行过程中所受的热应力和内应力,并结合材料的强度数据而进行剩余寿命估算的方法。由于应力解析法可以指明构件最危险的部位,这是运用其他方法的前提，因而应力解析法是寿命评定程序中不可或缺的环节。但应力解析法通常使寿命估计偏于保守，所以应力解析法必须与其它寿命评定方法相结合,才能精确、有效评价构件的剩余寿命。高温压力容器安全设计(3)改进设计手段。蠕变作用与时间的关系是非线性的，因此采用弹性应力公式进行设计是偏于简单化。日前有限元法已日益应用于高温压力容器的设计，但由于模型的实用处理上不能有较统一的模式，故它的精度很大程度上取决于经验和计算技术。