化工容器的高温设计

 对于在蠕变温度以上工作的化工容器，失效的判据与一般压力 容器不同，通常考虑两种失效形式： 

 第一种是由于蠕变而产生过大的变形，导致部件的失效， 对此，应设定在设计寿命范围的允许变形量； 

 第二种是由于在恒应力作用下，材料达到了蠕变断裂寿命而开 裂，对此应根据容器的设计寿命找出相应的持久强度值，并限 制工作应力小于持久强度。

(一)高温压力容器的常规设计 

常规设计的思路是对重要部位的最大主应力加以限制。在我国规 范中，针对上述两种失效形式，规定了高温下许用应力的设定方法。

 (1)变形准则 按照100,000h后应变不超过1％(0.01)的限制， 从蠕变数据中找到应变速率为：

时的应力，称之为材料的蠕变强度，代号为s10-7。蠕变试验数 据的温度应与容器工作温度相同。

此时，许用应力为：式中，安全系数nn ＝1.0。

 (2)断裂准则 按照100,000h的持久强度为基准，保证材料在 工作lO5h后不发生断裂。lO5h的持久强度取代号为s105，则许用 应力为：

式中，安全系数nD取为1.5～1.6。实际设计的许用应力取两者 之小值。

 可以讨论的是，对压力容器与管道而言，产生一点变形并无多 少妨碍；再说，l％的变形量似乎也限制得太严了一点。 

 所以近年来的英国规范已取消了按变形准则设计。在有些国家的规 范上尚未取消，只是由于保留传统做法而已。 

 世界各国已普遍认识到，对于高温压力容器，真正危险的是蠕变断裂。

 再一方面，105h的设计寿命对有些重要装置来说又显得不够。现代 的化工、石油、动力等装备趋向大型化，尺寸越来越大，设备成本 很高，要求使用寿命长。 

 不少国家的锅炉行业已经把设计寿命定为20年或2X105h，核电站 趋向于更高。这一趋势带来的问题是蠕变数据缺少，因为做蠕变与 持久试验是很花钱很费时的，而数据外推的方法的可靠性总还是要 一定数量的实时数据来验证。 

 蠕变数据的积累需要广泛的国际合作，这种合作已进行若干年了。

(二)高温压力容器分析设计的思路 

 美国规范ASMEⅧ—1是常规设计，它的范围包含了高温压力容器 设计，具体的处理就是在给定材料的许用应力时当工作温度超过蠕 变温度，就以蠕变极限或持久强度为基准。 

 ASMEⅧ—2是分析设计，它在适用范围中明确规定不涉及有蠕变 的压力容器，在给定许用应力时也只限于在蠕变温度以下。 

 ASMEⅢ与ASMEⅧ—2相同，但是在实际应用时碰到了一个问题， 即某些核反应堆是在蠕变温度以上工作的。为此，ASME在20世纪 70年代后期编写了一份《规范案例N-47))，作为高温压力容器分析 设计的依据，并期望在使用若干年后编人ASMEⅢ的正文。 

 N-47同样也适用于非核压力容器。在石油化工和煤化工行业中近代 的大型加氢反应器严格讲也应属于按分析设计的重大设备，

 对高温压力容器进行分析设计，涉及许多理论和实际经验问题，也涉 及更周到的材料性能试验问题。这里仅提及一些重要的考虑因素：

(1)蠕变计算方法 必须考虑到容器部件总是处在多向应力状态下， 而蠕变的基础数据是在单向拉伸下获得的[ec=f(T,s,t)]。 

——如何选择适当的当量流变应力使之有可能利用基础数据是一个应 力分析中首先要解决的问题。 

——其次，实际构件中的多向应力又往往是沿厚度变化或不均匀分布 的，随着时间的进程，各点上的蠕变应变是不一样的，由此就引起了 “蠕变应力再分布”。 

——简言之，不仅要研究初始应力分布，而且要分析应力历史。

(2)蠕变断裂寿命估算 在多向应力下，如何利用单向拉伸的应力 -寿命数据，这是一个在科学研究中尚未解决的问题，设计者须选 择一种合理的假设。再者，从上一段所述，应当考虑应力历史对寿 命的影响，亦即采用一种合适的累积寿命规律。

(3)蠕变与疲劳交互作用 当高温压力容器要求作疲劳设计时，必 须考虑蠕变与疲劳的交互作用。这种作用对不同的材料是不同的， 而且与应力水平、应力幅、应变速率等因素都有关系。这时需要有 足够的实验数据，并且考虑到单向拉压试件与实际结构的多向应力 状态之间如何联系起来。

(4)松弛问题 对高温容器的螺栓连接，要作松弛分析。在初安装 时，应力和应变量是一定的，而这应变是弹性应变。在工作时，总 应变量保持不变，由于蠕变的关系，蠕变应变一步步取代弹性应变， 这样螺栓中的应力就会下降。应采取措施使密封处保持不漏，或者 估算出定期再上紧螺栓的时间间隔。 

以上简要地提了一些应考虑的项目，真正要进行按分析设计需要相 当深入的专题学习和研究。