一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：1結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)；2明確載荷和溫度條件及設(shè)計(jì)壽命需求；3確定危險截面；4計(jì)算等效應(yīng)力和應(yīng)變范圍；5計(jì)算參考應(yīng)力；6判斷是否發(fā)生塑性垮塌；7判斷是否發(fā)生塑性棘輪；8判斷蠕變損傷是否重要；9蠕變損傷不重要時每一循環(huán)的疲勞損傷估算；10判斷疲勞損傷是否重要；11疲勞損傷不重要時每一循環(huán)的蠕變損傷估算；12蠕變和疲勞損傷均不可忽略時每一循環(huán)的損傷估算；13蠕變-疲勞總損傷估算；14結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)；15完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本發(fā)明將為我國建立基于蠕變疲勞等失效模式的高溫壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)高溫壓力容器按壽命的設(shè)計(jì)制造奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)形勢的快速變化、資源品質(zhì)劣化和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，過程工業(yè)壓力容器逐漸向高溫、超高溫等極端方向發(fā)展，如加氫裂化裝置加氫反應(yīng)器溫度高達(dá)454°C、超超臨界電站鍋爐蒸汽管道溫度高達(dá)650°C、催化裂化再生器溫度高達(dá)720°C、合成氨裝置和制氫裝置轉(zhuǎn)化爐溫度高達(dá)900°C、乙烯裂解裝置裂解爐高達(dá)1150°C。
[0003]高溫環(huán)境下服役的壓力容器除了具有通常的脆性斷裂、塑性垮塌失效模式外，還存在與環(huán)境和時間相關(guān)的持久斷裂、塑性棘輪、疲勞、蠕變、蠕變疲勞共同作用引起的裂紋萌生與擴(kuò)展等失效模式。蠕變、疲勞及疲勞蠕變共同作用下的裂紋萌生壽命評價是高溫壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核的重要環(huán)節(jié)，是完成基于失效模式和壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的必要途徑。
[0004]目前美國ASME、英國R5、法國A16、英國BS7910等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均針對蠕變、疲勞及其共同作用失效模式建立了壽命評價準(zhǔn)則和方法。相比之下，英國核電R5規(guī)范最先進(jìn)和完善，其特點(diǎn)是:廣泛采用參考應(yīng)力技術(shù)，避免了復(fù)雜的非彈性有限元分析；針對持久斷裂和循環(huán)增強(qiáng)蠕變變形，基于參考應(yīng)力技術(shù)給出了蠕變耗散系數(shù)的兩種計(jì)算方法；基于安定性理論和相關(guān)知識，給出了循環(huán)載荷是否重要、疲勞是否重要、蠕變疲勞交互作用是否重要的判定方法；基于Neuber法，并考慮蠕變和體積變化引起的應(yīng)變范圍增強(qiáng)，建立了疲勞損傷評估方法；基于參考應(yīng)力技術(shù)，并考慮結(jié)構(gòu)的彈性隨動效應(yīng)，建立了蠕變損傷評估方法；基于線性累積損傷理論，建立了蠕變疲勞共同作用下的評定方法；基于參考應(yīng)力技術(shù)，針對載荷控制、位移控制、組合控制等模式，分別給出了連續(xù)損傷失效時間、蠕變裂紋形核時間、再分布時間、循環(huán)穩(wěn)定時間的計(jì)算方法；針對穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)蠕變加載、循環(huán)加載條件，分別給出了相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展計(jì)算方法；考慮母材和焊縫性能的不匹配、焊接殘余應(yīng)力及表面處理情況，分別給出同種鋼焊縫和異種鋼焊縫的評定方法。R5規(guī)范評定時需要的數(shù)據(jù)有:母材、焊縫、熱影響區(qū)的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、單調(diào)拉伸性能、斷裂韌性數(shù)據(jù)、安定性因子、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)、疲勞性能數(shù)據(jù)、等時應(yīng)力應(yīng)變曲線、持久斷裂數(shù)據(jù)、蠕變變形數(shù)據(jù)、應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)、蠕變延性數(shù)據(jù)、蠕變裂紋形核數(shù)據(jù)、蠕變裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)、疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)等，并已形成自身核電常用材料的性能數(shù)據(jù)庫。
[0005]但英國R5規(guī)范在我國高溫壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)時難以應(yīng)用，其原因:一是R5規(guī)范主要是針對已投用壓力容器的損傷評估和壽命預(yù)測；二是R5分析過程過于繁瑣，如需要采用不同的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線逐個循環(huán)構(gòu)建出循環(huán)穩(wěn)定的遲滯迴線，進(jìn)而計(jì)算疲勞應(yīng)變增強(qiáng)范圍和疲勞損傷；如需要考慮殘余應(yīng)力的影響，估算結(jié)構(gòu)的安定性參考應(yīng)力；如需要考慮母材和焊縫性能之間的不匹配等等，三是R5評估結(jié)論過于保守，主要用于核電領(lǐng)域要求失效概率控制在非常低的場合，四是所需材料數(shù)據(jù)多，尤其是需要母材、焊縫甚至熱影響區(qū)的各種高溫性能數(shù)據(jù)。[0006]我國目前尚缺乏專門針對高溫特定失效模式的壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則或強(qiáng)度校核方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅通過高溫持久強(qiáng)度除以一定的安全系數(shù)、得到材料許用應(yīng)力后，通過限制結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平來保證結(jié)構(gòu)的安全。這種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的最大不足是僅考慮了持久斷裂這一失效模式，而沒有考慮蠕變、疲勞及其交互作用，從而無法實(shí)現(xiàn)基于壽命的高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種較為簡便的、適合我國國情的基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0008]S1:根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)行壓力容器結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；
[0009]S2:明確壓力容器將來的工作溫度和壓力循環(huán)次數(shù)，明確壓力容器預(yù)期的服役壽命，即設(shè)計(jì)壽命；
[0010]S3:彈性應(yīng)力分析、確定危險截面
[0011]假定結(jié)構(gòu)材質(zhì)均勻，不考慮焊縫對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，得到結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的多軸應(yīng)力場^(.V)，選取最大應(yīng)力或應(yīng)力幅最高的焊縫部位
作為需重點(diǎn)關(guān)注和評估的危險截面；
[0012]S4:計(jì)算等效應(yīng)力和應(yīng)變范圍
[0013]采用JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)》推薦的方法，由多軸應(yīng)力場之(X)計(jì)算所述危險截面線性化的von Mises等效彈性應(yīng)力、等效彈性應(yīng)力、等效彈性應(yīng)變^、等效彈性應(yīng)力范圍ASd、等效彈性應(yīng)變范圍,并計(jì)算危險截面的等效一次薄膜應(yīng)力Pm、等效一次薄膜應(yīng)力Pl、等效一次彎曲應(yīng)力PB、等效二次應(yīng)力Q、等效峰值應(yīng)力F ；
[0014]S5:計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力和持久斷裂參考應(yīng)力
[0015]由等效一次薄膜應(yīng)力Pm、等效一次薄膜應(yīng)力Pl計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力σ ref,由ο ref計(jì)算持久斷裂參考應(yīng)力στ%，計(jì)算公式如下:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.一種基于壽命的高溫壓力容器蠕變疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用于400~1000°C范圍內(nèi)存在蠕變、疲勞失效模式的鋼制壓力容器基于壽命的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或強(qiáng)度校核，其特征在于包括如下步驟: S1:根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)行壓力容器結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)； 52:明確壓力容器將來的工作溫度和壓力循環(huán)次數(shù)，明確壓力容器預(yù)期的服役壽命，即設(shè)計(jì)壽命； 53:彈性應(yīng)力分析、確定危險截面 假定結(jié)構(gòu)材質(zhì)均勻，不考慮焊縫對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，對初步設(shè)計(jì)得到的壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，得到結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)工況下的多軸應(yīng)力場6,(4，選取最大應(yīng)力或應(yīng)力幅最高的焊縫部位作為需重點(diǎn)關(guān)注和評估的危險截面； 54:計(jì)算等效應(yīng)力和應(yīng)變范圍 采用JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)》推薦的方法，由多軸應(yīng)力場計(jì)算所述危險截面線性化的von Mises等效彈性應(yīng)力、等效彈性應(yīng)力A1、等效彈性應(yīng)變&、等效彈性應(yīng)力范圍A5=d、等效彈性應(yīng)變范圍4&，并計(jì)算危險截面的等效一次薄膜應(yīng)力Pm、等效一次薄膜應(yīng)力Py等效一次彎曲應(yīng)力PB、等效二次應(yīng)力Q、等效峰值應(yīng)力F ； 55:計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力和持久斷裂參考應(yīng)力 由等效一次薄膜應(yīng)力Pm、等效一次薄膜應(yīng)力Pl計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力由Oref計(jì)算持久斷裂參考應(yīng)力，計(jì)算公式如下:
【文檔編號】G06F17/50GK103761365SQ201310738774
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月28日
【發(fā)明者】陳學(xué)東, 范志超, 董杰, 江慧豐, 涂善東 申請人:合肥通用機(jī)械研究院