【精品文档】压力容器设计技术进展.ppt

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1、第六章压力容器设计技术进展III潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院第一节近代化工容器设计技术进展概述第二节化工容器的应力分析设计第三节容器的疲劳设计第四节容器的防脆断设计及缺陷评定第五节化工容器的高温蠕变第六节化工低温压力容器第六章压力容器设计技术进展2第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变二、化工容器的高温设计三、高温压力容器的残余寿命第六章压力容器设计技术进展3第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变大量的化工容器是在高于室温的条件下工作的。金属材料的强度随温度而发生变化。对高温压力容器要区

2、别两种不同的情况。第一种是工作温度在容器材料的蠕变温度以下，设计时是以该材料在工作温度下的机械强度为基准，按通常的安全系数选取许用应力。第二种是工作温度在容器材料的蠕变温度以上，此时必须考虑材料的蠕变特性，按照容器的设计寿命来确定许用的应力水平。本节要讨论的是第二种情况。4第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变蠕变温度指材料开始呈现蠕变现象的温度，对各种不同材料是不同的。一般金属材料的蠕变温度Tc为：式中，Tm为金属材料的熔点(K)。实际上，每种具体钢号或金属牌号都有不同的蠕变温度。大体上：碳钢>350oC低合金钢>400~450o

3、C耐热合金钢>600oC有色金属及其合金的蠕变温度较低，如铅及钛等在室温时受载就会发生蠕变。当金属材料在高于蠕变温度的温度下工作时，会产生两种现象：蠕变变形与蠕变断裂。在这里不作金属学的探讨，而从工程应用的观点作现象学的分析。为了叙述简便，下面把“高于蠕变起始温度”简称为“高温”。5第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变金属材料在高温与应力的共同作用下，会产生缓慢的不可回复的变形，称为蠕变变形，如以应变表述，即为蠕变应变ec。(一)蠕变变形在光滑试样单向拉伸试验下，在恒定温度与恒定应力作用下，试样的应变—时间关系如图所示。蠕变变形有

4、三个阶段，第一阶段(01)为降速阶段，第二阶段(12)为恒速阶段，第三阶段(23)为加速阶段，到点3发生断裂。6第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变(一)蠕变变形在恒定温度与不同应力下测试时，可以得到一组曲线，如图所示。图中s1>s2>s3。应力越小则应变越小，相应地，应变速率越小。通常在8个以上的不同应力水平做试验，归纳出蠕变应变与应力、时间的关系式：如果温度T恒定，则工程上为计算方便，常忽略第一阶段与第三阶段，仅取第二阶段，即恒速阶段。蠕变的应变速率可以用下式表达：这就是有名的Norton-Bailey公式，沿用了几十年。但应

5、当指出，它是一个粗略的公式，不能满足按分析设计的要求。7第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变在高温和应力的长时间作用下，金属材料到一定时间就会断裂，从下面两张图可以看出。蠕变断裂寿命2R(小时)随应力的降低而延长。通常用光滑试样在恒定应力和恒定温度下作试验。在一定应力下的蠕变断裂时间称为该应力下的蠕变断裂寿命，反过来，在一定时间下产生蠕变断裂的应力称为该时间内的“持久强度”。(二)蠕变断裂8第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关

6、系曲线。多个试样在不同应力水平下进行试验，得到材料的持久强度与蠕变断裂寿命的关系曲线。(二)蠕变断裂多数钢材，应力-寿命曲线有一个转折点F，标志断裂机制的转变。当应力高于F点时，断裂是穿晶的，断口为韧窝状，纵断面上可观察到晶粒的拉长。当应力低于F点时，断裂机制为沿晶界面的断裂(沿晶断裂)，晶界上由于孔穴或微裂纹的积聚连贯而最终导致沿晶的宏观裂纹扩展，引向断裂。9第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变蠕变与持久试验中数据的分散性很大，要在相当多的试样的基础上才能得到一条代表性的平均曲线。如果曲线的两段均可近似地看作直线，则s与tR的关

7、系可用下式表述：式中，指数m为负值。显然，对二段曲线，B与m的值是不同的。(二)蠕变断裂工程上，由于设计寿命要求较长，在105h以上，所以s较低，此情况，是沿晶断裂，且总应变量比较小，所以失效时呈现“脆性断裂”的特征，但实际上与通常意义上的脆性断裂是有区别的。tR:断裂寿命10第六章压力容器设计技术进展第五节化工容器的高温蠕变一、金属材料的高温蠕变以上都是在高温下作长时间试验的情况。高温下短时拉伸试验，仍然可以获得材料在该温度下的屈服点sy抗拉强度sb与塑性形变曲线。但试验的速度相对要快一些。若试验速度慢于高应力下的蠕变速度，则会出现应力平台，此时应力上不去而应