? 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??紤]兩種失效形式:
? 第一種是由于蠕變而產(chǎn)生過(guò)大的變形,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量;
? 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(kāi) 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,。
(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(guó)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,。
? (1)變形準(zhǔn)則 按照100,000h后應(yīng)變不超過(guò)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,。
此時(shí),,許用應(yīng)力為:式中,,安全系數(shù)nn =1.0。
? (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1.5~1.6,。實(shí)際設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力取兩者 之小值。
? 可以討論的是,,對(duì)壓力容器與管道而言,,產(chǎn)生一點(diǎn)變形并無(wú)多 少妨礙;再說(shuō),,l%的變形量似乎也限制得太嚴(yán)了一點(diǎn),。
? 所以近年來(lái)的英國(guó)規(guī)范已取消了按變形準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。在有些國(guó)家的規(guī) 范上尚未取消,,只是由于保留傳統(tǒng)做法而已,。
? 世界各國(guó)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,。
? 再一方面,105h的設(shè)計(jì)壽命對(duì)有些重要裝置來(lái)說(shuō)又顯得不夠?,F(xiàn)代 的化工,、石油、動(dòng)力等裝備趨向大型化,,尺寸越來(lái)越大,,設(shè)備成本 很高,要求使用壽命長(zhǎng),。
? 不少國(guó)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。這一趨勢(shì)帶來(lái)的問(wèn)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(qián)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(lái)驗(yàn)證。
? 蠕變數(shù)據(jù)的積累需要廣泛的國(guó)際合作,,這種合作已進(jìn)行若干年了,。
(二)高溫壓力容器分析設(shè)計(jì)的思路
? 美國(guó)規(guī)范ASMEⅧ—1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(guò)蠕 變溫度,,就以蠕變極限或持久強(qiáng)度為基準(zhǔn)。
? ASMEⅧ—2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,。
? ASMEⅢ與ASMEⅧ—2相同,但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)碰到了一個(gè)問(wèn)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(xiě)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(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,,
? 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(wèn)題,,也涉 及更周到的材料性能試驗(yàn)問(wèn)題。這里僅提及一些重要的考慮因素:
(1)蠕變計(jì)算方法 必須考慮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(wèn)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,。
(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(wèn)題,,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,。
(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(lái),。
(4)松弛問(wèn)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,。
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,。
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