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高温压力容器简介

2018-6-14 15:22:33      点击:

高温压力容器发展历程

   工业革命使化石能源的使用量加剧,也同时密切了能源和机械动力间的关系,其中温度就在这期间担当了一个非常重要的角色:即能源和动力间的转换。在能源和石油化工等领域,为了提高能源转换和物质化学转化效率,工业装置的工作温度不断提高。

   从瓦特时代(1765 年)略高于100℃的蒸汽温度,发展到现代超临界参数发电的600.℃ 、乙烯裂解的1100℃ 、军用航空发动机的涡轮前温度1800℃ 等。对工业装备的设计制造与运行维护提出了越来越高的要求。


    对于高温压力容器,规定大于350℃,理论上在高于容器材料蠕变起始温度下操作运行的容器称为高温压力容器,其高温的定义来源于材料的高温特性。在线弹性变形阶段,给定一个载荷总可以得到一个固定的变形值,但若材料在较高温度下拉伸,则将发生蠕变变形,即使该载荷维持不变,变形仍将继续增加。这样一个温度称为蠕变温度。

   蠕变是材料温度激化的结果,因此蠕变强度对温度的依赖性是不言而喻的。一般认为蠕变发生与否,与金属的熔点Tm有关,粗略地可根据工作温度是否大于0 . 5 Tm进行判断,实际合金则多在(0.4~ 0.6)Tm 之间。

   当工作温度大于0.5Tm 时,即使应力小于材料屈服限,蠕变也会发生。而当工作温度小于0.5Tm 时,若要产生蠕变变形,应力必须接近或者大于材料的屈服限。不同的材料有不同的蠕变温度,见下表:.

                        金属的熔点和蠕变温度

材料 熔点/℃ 蠕变温度/℃
327 27
660 194
1083 405
1690 708
1530 629
1453

398




高温结构设计的重要性

   由于材料的短时拉伸特性、疲劳特性等均随温度的升高而逐渐降低,因此对于何种温度下的压力容器为高温压力容器并无严格的界限。但是, 是否考虑蠕变因素,对结构设计方法的要求则不同,因此大多设计规范以是否进入蠕变温度为界限。

   目前已有许多成熟的和正在发展中的高温过程工艺,无论是在役高温设备的安全可靠运行,还是新工艺的实现,均有赖于科学的高温结构设计理论。各种工艺过程的温度与压力如下图所示。


                                             各种工艺过程的温度与压力

    可以看出,技术的进步也体现在温度与压力的突破。由于现代强度理论和先进计算工具的出现,针对高压的设计知识已相对完备,人们已可以较少地担忧高压所带来的威胁。


    然而在高温下构件的变形与损伤是依赖于时间以及空间多轴应力状态的复杂现象。在科学上,必须解决这样的命题:利用较短时间内(实验时间<10000h) 获得的知识去预测长时间下的效应(> 100000h) ,利用较小空间内(实验室试样)获得的知识去推断大空间尺度下的行为(复杂结构) ,这种双重的复杂性大大地增加了人们进行破坏控制的难度。

    在工程实际中,一方面要为新的高温设备设计提供理论方法,确保设计是可靠和经济的,使高温技术过程能够得以实现;另一方面要为在役设备可靠和经济的运行提供保障技术。

    在世界范围内,目前有大量的石油化工厂、发电厂是在20 世纪70~80 年代建造的,许多关键设备已超过了30 年的设计寿命。

    由于经济、政治、环境等因素的限制,新厂的建设渐少,进入设计寿命期的工厂在今后将不断增加。但简单地淘汰老厂的做法已无法做到,因此各国政府和企业都希望能采用高新技术方法挖掘工厂的潜力,使之能继续运行20 ~40 年。

   近20 年来,工业发达国家投入了大量的人力物力,致力于高温设备寿命预测技术的研究。这些研究进而又促进了高温结构设计理论的发展。