化工容器的高溫設計

? 對于在蠕變溫度以上工作的化工容器，失效的判據與一般壓力 容器不同，通常考慮兩種失效形式： 

? 第一種是由于蠕變而產生過大的變形，導致部件的失效， 對此，應設定在設計壽命范圍的允許變形量； 

? 第二種是由于在恒應力作用下，材料達到了蠕變斷裂壽命而開 裂，對此應根據容器的設計壽命找出相應的持久強度值，并限 制工作應力小于持久強度。

(一)高溫壓力容器的常規設計 

常規設計的思路是對重要部位的最大主應力加以限制。在我國規 范中，針對上述兩種失效形式，規定了高溫下許用應力的設定方法。

? (1)變形準則 按照100,000h后應變不超過1％(0.01)的限制， 從蠕變數據中找到應變速率為：

時的應力，稱之為材料的蠕變強度，代號為s10-7。蠕變試驗數 據的溫度應與容器工作溫度相同。

此時，許用應力為：式中，安全系數nn ＝1.0。

? (2)斷裂準則 按照100,000h的持久強度為基準，保證材料在 工作lO5h后不發生斷裂。lO5h的持久強度取代號為s105，則許用 應力為：

式中，安全系數nD取為1.5～1.6。實際設計的許用應力取兩者 之小值。

? 可以討論的是，對壓力容器與管道而言，產生一點變形并無多 少妨礙；再說，l％的變形量似乎也限制得太嚴了一點。 

? 所以近年來的英國規范已取消了按變形準則設計。在有些國家的規 范上尚未取消，只是由于保留傳統做法而已。 

? 世界各國已普遍認識到，對于高溫壓力容器，真正危險的是蠕變斷裂。

? 再一方面，105h的設計壽命對有些重要裝置來說又顯得不夠。現代 的化工、石油、動力等裝備趨向大型化，尺寸越來越大，設備成本 很高，要求使用壽命長。 

? 不少國家的鍋爐行業已經把設計壽命定為20年或2X105h，核電站 趨向于更高。這一趨勢帶來的問題是蠕變數據缺少，因為做蠕變與 持久試驗是很花錢很費時的，而數據外推的方法的可靠性總還是要 一定數量的實時數據來驗證。 

? 蠕變數據的積累需要廣泛的國際合作，這種合作已進行若干年了。

(二)高溫壓力容器分析設計的思路 

? 美國規范ASMEⅧ—1是常規設計，它的范圍包含了高溫壓力容器 設計，具體的處理就是在給定材料的許用應力時當工作溫度超過蠕 變溫度，就以蠕變極限或持久強度為基準。 

? ASMEⅧ—2是分析設計，它在適用范圍中明確規定不涉及有蠕變 的壓力容器，在給定許用應力時也只限于在蠕變溫度以下。 

? ASMEⅢ與ASMEⅧ—2相同，但是在實際應用時碰到了一個問題， 即某些核反應堆是在蠕變溫度以上工作的。為此，ASME在20世紀 70年代后期編寫了一份《規范案例N-47))，作為高溫壓力容器分析 設計的依據，并期望在使用若干年后編人ASMEⅢ的正文。 

? 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中近代 的大型加氫反應器嚴格講也應屬于按分析設計的重大設備，

? 對高溫壓力容器進行分析設計，涉及許多理論和實際經驗問題，也涉 及更周到的材料性能試驗問題。這里僅提及一些重要的考慮因素：

(1)蠕變計算方法 必須考慮到容器部件總是處在多向應力狀態下， 而蠕變的基礎數據是在單向拉伸下獲得的[ec=f(T,s,t)]。 

——如何選擇適當的當量流變應力使之有可能利用基礎數據是一個應 力分析中首先要解決的問題。 

——其次，實際構件中的多向應力又往往是沿厚度變化或不均勻分布 的，隨著時間的進程，各點上的蠕變應變是不一樣的，由此就引起了 “蠕變應力再分布”。 

——簡言之，不僅要研究初始應力分布，而且要分析應力歷史。

(2)蠕變斷裂壽命估算 在多向應力下，如何利用單向拉伸的應力 -壽命數據，這是一個在科學研究中尚未解決的問題，設計者須選 擇一種合理的假設。再者，從上一段所述，應當考慮應力歷史對壽 命的影響，亦即采用一種合適的累積壽命規律。

(3)蠕變與疲勞交互作用 當高溫壓力容器要求作疲勞設計時，必 須考慮蠕變與疲勞的交互作用。這種作用對不同的材料是不同的， 而且與應力水平、應力幅、應變速率等因素都有關系。這時需要有 足夠的實驗數據，并且考慮到單向拉壓試件與實際結構的多向應力 狀態之間如何聯系起來。

(4)松弛問題 對高溫容器的螺栓連接，要作松弛分析。在初安裝 時，應力和應變量是一定的，而這應變是彈性應變。在工作時，總 應變量保持不變，由于蠕變的關系，蠕變應變一步步取代彈性應變， 這樣螺栓中的應力就會下降。應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間間隔。 

以上簡要地提了一些應考慮的項目，真正要進行按分析設計需要相 當深入的專題學習和研究。