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1、1987年7 月 第2卷第 1 期 西 JOU RN AL 安 石油 学 院 学 OF Xl A NPETR O LEUM 报 IN STIT UTE Jul 。 1987 Vol 。2 滩 1 压力容器的蠕变应力及蠕变断裂分析 王维娟 赵乃马录 (石 油 机 械系 ) 摘要 本文论述了压 力容器蠕变应力的复杂状态 , 指出用一维拉伸户需变试验 作为 没计的依据 会产生较大的偏差 。 具体 分析了承受弯曲和内压的薄壁容器的蠕 变 应力状态及其断裂机理 ; 压力容器蠕变条件下的温 差影响 ; 厚壁筒的蠕变断裂 的部位 。 指出了在 蠕变条件下压 力容器的应力状态和应力分布规律有所改变; 压力容器
2、 仍有温度应 力 , 且影响较大 不容忽视 。 本文还提出 了蠕变断裂时间 的 计算方法 。 引 压力容器 的蠕变及蠕变断裂 , 除了具有和材料蠕变规律 相 同的特点之外 , 还有其特 殊的复杂性 , 即各类应力条件下的蠕变应力分析问题 。 G . H . R ow。对3 1 6型不锈钢的薄壁 圆筒进行了内压蠕变断裂实验 ; 并与相 同材料圆 棒试样分别在切向 、 径向 、 轴向等三个方向进行拉伸蠕变断裂实验的结果进行了比较 , 发现 一维拉伸蠕变试样断裂前第三阶段能继续相当长的一段时间;而对于 圆筒则一进入 第三阶段蠕变时 , 微小裂纹 立即引起内压泄漏或断裂 。 工程中所 用压力容器 ,
3、除了总体薄膜应力外 , 尚有温差 应力 、 边缘应力及接管附近 的峰值应力等附加应力 。 在压力容 器 的蠕变问题 中 , 也不能忽视容器复杂应力状态和一 维 拉伸蠕 变试验白 勺偏离 。 二 、 同时本受弯曲和内压的薄壁筒体的蠕变应力的分析 卧式容器和卧管是同时承受弯曲和内压的常见薄壁筒体件 , 其情况如图 1 所示 。 本文于198 7年4月9日收到 。 卷 一 少 一 8 异 油 学 院 学 才良 , 书 一 西 一 关 图工筒壁受力情况 当筒的壁 温达 到蠕变温度时 , 容器中山于内压 和蠕变产生 的 应力可按公式( 1) 己3J 计 算 一 - - 1 P一/ l n r d 、 6
4、 o 一 (夸) 洲夸 一 ) ” (l) 二呵凡 、 1 1 、 11 l 1 Z d 对于薄壁筒可认为 a , = 0 由于弯矩 、 蠕变产生 的应力p(甲)是 沿 圆周以甲函数形式变化 , 且为轴向应力 , 故 可通 则径 一 过 反复拟线性化解决问题 , 即设沿 圆周之 应力为 a“。,a、” , 向弯曲率k为 k a= M/h aZ 一+一 I k , 一 lk (2) ox(k门 ) =ox( k 式 呼 : ;k = + M/ ha Z+ 1 3k一 1 1 、 巧瓜 5in甲d甲 兰) 5 1二、一F(0 /k ” / F (OX (3) k) 一 ; S n Z甲/ F“一
5、k ”甲 ; “ 二 ; “ F(一, / F (。 汇“ ” S 甲 d甲 用 “S i mp so n 5 r u l e ” 进行处理 。 对于符合等温能量 公式f(o ) 二 B a 社 的蠕变情况 , 引入 负载参数。 = pa ”/M, 则有数值计算结 果 , 如 图2 、 3所 示 。 甲 第 1期 压力容器的蠕变应 力及蠕变断裂分析 又 00 反 。 5 。 拐 心I 一一一 介 闷子 I 甲 一。 了.、 l一O p 一 , 几 下丫 甲 丝全到 之0 尸) 卫 U 艺口5(夕 。 = 万 图2 p(年) J日 与甲的关系图3不 同n值下的K/K 。与Q 的关系 / 由图看出
6、 、 二 平时 白 , p(印)最大 , 这与常规设计中卧式容器情况相近 。 值得注意的 是 , 从 图3中看出 , 蠕变情况下内压p大 大增加 了筒休的挠度 , 这点和 钢制石油化 工压 力容器设 计规定 (19 85)(下称 “规定” )中的常规设 计公式与结果 差异较大 。 更主 要 的是n的影响 , 说 明在蠕变条件下材料的结构敏感性表现突 出 。 w . s i eg f rl ed认为 , 在多维应力下 的蠕变断裂中 , 也存在有穿晶断裂和 晶间断裂两种 断裂形式 , 但穿品断裂是基于多维应力的应力偏量引起的剪切变形造成的 。 变形 后期的 局 部 收缩引起 的应力增加导致断裂;
7、且认为晶内剪切变形强度 因材料和 温度不 同而异 。 A . E . John so n 等人 的研究中 , 强 调要充分 注意材料各向异性的影 响 。 B . 月 . C仄o6opo B 对镍合金3 H 一4 3 7B . 进行拉伸 、 扭转组合蠕变断裂试验 , 其结果和米捷斯及最大 主应力 的等效应力都不吻合 ; 而取等效应力等于训0 2 + 1 . 3 36下 2 则与拉伸蠕变断裂试验结果完 全一致 。 他认为这是由于材料各向异性的影响所 致 。 所 以 , 规定中用仅有内压情况 下的 应力分析来 分析蠕变条件下 的 应力是不妥的 , 这点在文1中已经谈 过粗浅看法 ; 通过上述弯 、
8、压联合作用 的蠕变应力分析 , 更 证实了这一点 。 三 、 蠕变条件下的温差应力问题 规定中第2 3 页 , 3 、 5 、 4 项中规定 :“对于 操作时 , 壳壁材料已产生蠕变的情 况可不计温差应力 ” 的提法有待商榷 。 因为从塑性变形微观机制分析可知 , 塑性变形的 特点是不同时性和不均 匀性 。 1 0 西 安 石油 学 院 学 报第2卷 通过蠕变微观过程中各种应力因索(其中包括 扩故 、 回复 、 位错 、 三维 应力场 的约 束等外应力及各种材料 微观结构交互作用 而产 厂卜的 蠕变摩擦)白勺 分析看出 , 蠕 变不是材 料的某一个局部损伤 , 而是材料 内部各个局部变形以及
9、全部损伤 的附加效应 的总和 。合 包括自扩 散 、 热 振动 、 品内变形 、 :异,界 滑移 、 热回复 、 硬化以及位错运 动 等多 种过 程 , 其中多数过 程是由于温度升高后才 显现 出来或者有所 变 化的 ; 并且 即使在恒 定 应力 和恒 定温度 下 , 随着时问也在不断 变 化 。 再 结合w . S i eg frie d 、 A . E . Jo h n : 臼1和 B . 月 . C及。6Mpo B 等人的 观 子 汽 , 以及 上述蠕变微观应 力 分析可 知 , 二次应力在屈 服后约束 级解只 能是逐渐的 , 有进 展过 程 的 , 不能认为温差应力就 全部缓解 。 同
10、时 , 从蒸 汽转化 炉竹 、 延迟焦化釜 、 炼厂加热 炉管等等 的破 断事故调查中发现 , 最先发 生 蠕变报伤的翻;位往往 是 在外壁表而 温度高 、 且内外壁温差 T 较及的区域 , 这说 明有温差 应力的作用 。 一 乍我 们所做的激光散斑试验中 , 也初步证实了这 .从。 从J . T . Boy艳 rZ 的 分析 中也 可看 出这 点 。 他是对一 个 沿径向有 温度梯度的受 内压 厚赔球体在 蠕 变条件下进行应力分析的 , 其 外半径为b , 内 半径为: 一 L, 温 度沿壁分布符合 T 二 T 。 (T 一 T 。 ) 应 变为 。r=。万+。仁+ 听T (4) 。=。怎十
11、。月十。:么T 式中 。芍 , e 只为 弹性应变 , 。: , 。怎 为 蠕变应变 , 按Ila r t S 理 一沦确 定 , 最后的应力为 a : =o 中 : 一 a 书 a 。= o 尸 一卜a 灯 (5) 式中 a 甲 和G召为弹性问题 , 可按 劳伦兹公式确定 。 : 一 , 一刽 毕犷 d 卜 b 3 ( 一 * , _ 二二刁一! 一二 一d 丫矛 ; J : 丫 , (6) 产t . 、l 弓d“J b a a 君 今 余 d丫-12 3十a3 一a 3 只*尸* 、 一 d 丫 一卜一万r l Y Z / 了 a r l J Z、 式 中 “*二 c a ”e xp (
12、一H / RT) ; 式( 6) 中之 a 了 、 a 刀可在壁 厚区间1 , ,1划 分区域 , 用)菌近法确定 。 对材料为3 0 4号钢的计算和实验结果如 图连 , 图中 : 第1期 压力容器的蠕变应力 及”需变断裂分析 广!1 1 ! 1. 曰 匕 a u 一 从 ; 屯一丫 卫 一 一 S | 1 1|W W MM 丫r 。 T 。 ( 外壁 ) 二 40 0 , T 。 (内壁) = 500 p 贾 二 10o0 0Psl , P二 一“赵 了 二 150 0 oPs l , P , = o E = 0 . 244 又 10 8 PST 飞,二 0 . 2 9 8 G = 45 6
13、 70PSI 于r=3 80753Jm o l 一 (Arf热 量常数) (乙了= 1 又 1 0 一5 一 从图4可 明显看出 , 周向应力 在外表面 可达3 Q 。 所以 , 蠕变条件下不汁压力容器 壁中温 差应力是 不合适 的 。 日4周 向应力洽谈厚分 布情况 匹! 、 厚雌筒的蠕变断裂分析 根据加 热 炉管 、 转 化炉管等实际运行寿命统计 , 儿 乎都 达不到设 计 寿命 , 其中如转 化 炉管仅为设计寿命的 /。 有部分炼厂加热炉管设 计寿命为 3 年 , 但使用只有 8 个月 就破裂 , 所以 , 蠕 变断裂 分析倍受重 视 。 现 对稳定蠕 变阶段中厚 壁筒的等 温 蠕变断裂
14、进行分析 : 此 时蠕变率为 112 一 仃 产 |叹ds; 一 B dt a ”一l (1 一。) ” 。 。+ a: , (7) Q 产 | 一 口 叫 _ B dt a 月一I (1 一。) ( a + a ) a r = R : ( 。号,。昌) + o 嗯 a。二 R . ( 。军,。昌) 十叮言 a : = R , ( 。耳,。昌) +a 穿 式 中 。项按 弹性 理论确定 ; R 有如下三项 , 分别为 (8) 、! 2 1 .侣 d 门 C 一 一 月 甘 a ! J 2 一, b丫 E 2(1一 v Z ) e气一 e丘 一一少升 一 .卫 二一 a t I 一 r Z 一a
15、 Z 乎万面 万 . 产, . .,J广 夕 .t、 E(一Zv) 2(1 一v“ ) 几 一 r r 一 、J r ”8二d林一 rZ一aZ b Z 一a Z: : ;d” ) R 。 =一 2 E l一 vZ )(; 一 气 里 一 二工兰土旦三2 . (b Z一 aZ ) 兰二里三加 刀 训 rll J几 -, 一 b 一r 12 西 安 石油 学 院 学 报 第 2 卷 E(1一2丫 2(1一 vZ 、 1/f 了 i 万 厄一 又) 。 ” Q ” n县d月(9) E 1一 vZ (以 + 丫弓 E V 1一 vZ d n 一 兰一 b 一a J 广. . .,护 了 . . .、
16、E丫旦二2们 . 1 _ l一 , 2 b Z 一a Z 门c县d月+ E 1一 vZ v。;一 (一 、,。; 且 万一谧 一(a , 一a 。 ) 2 + (a r 一 : , 2 + “。一a , 根据实际断口多为径向裂 纹 , 且垂直于最大主应力方 向的实际情况 , 这里仍根据最大主 应 力原 则 , 并月引入 断裂时间 ,= E o。 学表达式 少一 厂 一二 二“一 、 一 Qt 、 乃(1一(。)on ” , 一。, ” 一 “ 口 1 0) B 、 n 为材料常数 ; a 。 为拉伸时的破 裂极限应力 a , 二 f (t ) a 为名义 应力 ; k(Q)是随。变化的材料常数 。 把 。 用厚壁筒的最大主应力参数S 。代替, 则 有 d0 dt _
