基于ASME规范案例2843的加氢反应器蠕变-疲劳强度分析与考核法程钟;苏文献【摘要】对ASME规范案例2843进行较为具体的解读,并在蠕变和疲劳交互作用下,结合高温加氢反应器的实例进行了说明.该蠕变-疲劳分析的过程包括应力强度校核、忽略蠕变影响的判定、应变和变形校核、蠕变分析、疲劳分析和蠕变-疲劳交互曲线验证.与ASME规范案例2605-2相比,ASME规范案例2843所适用的材料更广泛,对应的温度范围和最大服役寿命也更明确.得到的结论是:蠕变损伤的破坏大于疲劳损伤,工程实际应更多关注蠕变损伤,进行足够的结构加强,减小蠕变失效.【期刊名称】《压力容器》【年(卷),期】2018(035)009【总页数】9页(P21-29)【关键词】规范案例2843;高温;蠕变-疲劳交互;设计校核【作者】法程钟;苏文献【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TH49;TQ052.5符号说明：E——弹性模量，MPaμ——泊松比Pm——总体一次薄膜应力，MPaS——总体一次薄膜应力的最大许用值，MPaPL——局部一次薄膜应力，MPaPb——一次弯曲应力的最大许用值，MPaSmt——对于基础材料，表示总体一次薄膜应力的许用极限，由Sm和St中的较小值决定，MPaK——塑性分析下的截面系数，文中取K=1.5Kt——蠕变分析的截面系数，在此规范案例中取Kt=1.25ti——整个服役期间，处于特定负载pmi、特定温度T下的总积累时间，h tim——处于负载St下的最大许用时间，htib——处于负载(PL+Pb/Kt)下的最大许用时间，htid——由断裂应力所确定的负载时间，hr,s——断裂应力修正系数εi——特定工况下的应变，%Sy——屈服应力，MPaSya——加载循环期间最大和最小壁面温度下Sy的平均值，MPa Qrange——二次等效应力范围的最大值，MPaX——一次应力参数Y——二次应力参数Δεmax——最大等效应变范围，%Salt——最大交变应力，MPaΔεmod——修正最大应变范围，%Ks——截面系数f——多轴塑性系数塑性泊松比修正系数εt——总应变，%Kv——多轴塑性及塑性泊松比修正系数Δεc——蠕变应变增量，%Sj——初始应力，MPaK′——安全系数Td——许用断裂时间，hDC——蠕变损伤(nc)j——j类型循环下的循环次数(Nd)j——j类型循环下的设计许用循环次数D——损伤包络线以内区域0 引言近年来，石油化工行业正不断地对设备提出高温、高压、高循环次数、长寿命等极端要求，以提高生产质量和生产效率。
高温给部件的设计带来了蠕变、蠕变-疲劳交互、寿命降低等难题，于是高温部件的分析成了相当复杂的工作[1]。
其中，高温蠕变与疲劳交互的失效形式非常普遍，载荷变化和温度变化是发生蠕变-疲劳的重要原因。
加氢反应器为炼油、化工领域中的核心设备，其服役阶段温度高于370 ℃以上便会涉及蠕变，并会因为温度变化引起热疲劳以及时间载荷引起的高周和低周疲劳。
研究表明，在蠕变-疲劳交互作用下的设备寿命远低于单一载荷下的寿命[2]。
目前，国内外对纯蠕变或者纯疲劳失效的预防措施已经比较完善，章骁程等[3]曾对其进行归纳，见表1。
而对于高温蠕变与疲劳交互作用的评定，国内外尚没有相关标准，近年来，石油和电力公司应用且成功的是Omega方法[4]，1986年美国材料学会(MPC)发起用于评估运行在蠕变范围内部件剩余寿命的Omega工程[5]，该工程在低应力下为蠕变寿命提供了准确预测。
于是，涉及蠕变-疲劳交互作用的标准或者说评估工作已不再是空白。
国外有以下几种标准或评估步骤可供参考：ASME规范案例2605[6]、API 579《服役适用性准则(合乎使用准则)》[7]、BS 7910《金属结构缺陷验收评定方法》[8]、英国R5《高温蠕变疲劳评定规程》[9]、法国RCC-MR[10]中对于高温缺陷评估的综合方法、美国ASME Ⅲ-NB[11]和NH规范[12]、欧盟EN 13445[13]等。
表1 我国与ASME标准蠕变和疲劳失效准则项目蠕变失效预防措施疲劳失效预防措施蠕变-疲劳失效预防措施ASME Ⅷ-1[14]nn=1.0(0.85,焊制钢管)✕✕ASMEⅧ-2[15]nn=1.0蠕变温度以下的疲劳设计曲线✕GB 150—2011[16]nn=1.0✕✕JB 4732—1995[17]nn=1.0蠕变温度以下的疲劳设计曲线✕案例2605-1nn=1.0✕2.25Cr-1Mo-V的高温疲劳设计曲线注：nn为蠕变安全系数；“×”表示不适用。
针对蠕变-疲劳失效问题，近年来国内研究人员较多参考ASME规范案例2605(以下称为CC2605)，如：Gong等[18]曾在研究中回顾CC2605的疲劳设计方法，并重新绘制了疲劳设计曲线，还研究了与疲劳行为相关的重要因素，并且讨论了纯蠕变评定下的应力分析。
另外，刘芳等[19]还从应力、应变和变形以及蠕变-疲劳交互3个方面介绍ASME中NB和NH标准，并以加氢反应器排出罐为例，讨论了两者差异；同样是加氢反应器，在热箱方面，柏慧等[20]针对性地进行应力分析，得到热辐射能使热箱部位温度分布均匀、应力减小的结论。
本文采用最新ASME规范案例2843[21]，对某一加氢反应器在高温蠕变-疲劳交互作用下进行分析校核，是现阶段一种可行的解决方案。
在ASME规范案例2843(以下称为CC2843)收录于ASME BPVC Code Case 2017并颁布后，为化工行业对加氢反应器等设备的蠕变-疲劳评定提供了参考。
该案例所适用的材料具体可为304SS和316SS，Ni-Fe-Cr(800H合金)，2.25Cr-1Mo，9Cr-1Mo-V。
本文以材料2.25Cr-1Mo为例，CC2843给出了700～1100 °F(371～538 ℃)的温度范围，与ASME规范案例2605[3]相比，温度范围得到了提高(从317～454 ℃提高到了371～538 ℃)，并提供了如图1所示的蠕变-疲劳分析具体流程。
图1 CC2843蠕变-疲劳分析流程CC2843所采用的加载极限校核，是为了保证应力水平在标准许用应力值之下，满足强度要求；进行应变极限校核是为了保证部件在棘轮效应下能够抵抗失效；而最终进行的蠕变-疲劳分析，是为了对部件进行综合评定。
1 设计实例1.1 设备参数本文以某加氢反应器的筒体结合进出口接管为例，对CC2843进行说明并结合实例进行校核计算，模型的几何尺寸见图2(1/4对称结构)，在ANSYS 15.0建模如图3所示。
主要承压部件的材料为2.25Cr-1Mo-V锻件，设备设计使用年限为30 a(26.3万h)，总循环次数1 250次，操作温度402 ℃，设计温度454 ℃，操作压力11.5 MPa，设计压力12 MPa，正常操作工况下，涉及蠕变温度段的载荷见图4。
图2 接管与锥形过渡段结构示意图3 ANSYS加氢反应器壳体模型图4 加氢反应器正常操作下载荷变化曲线(涉及蠕变部分)采用ANSYS15.0进行建模，采用Solid 186进行网格划分，如图5所示，共生成33 438个单元节点。
图5 ANSYS有限元网格1.2 载荷极限下的强度校核根据CC2843第5节的校核步骤分别进行设计工况和操作工况下的强度校核。
使用ANSYS15.0有限元分析软件，E=182 000 MPa,μ=0.3。
设计工况下的负载极限，计算得到的等效应力值应满足CC2843中5.1节(a)和(b)的要求：(a) Pm≤S(1)(b) PL+Pb≤1.5S(2)在本例中，根据Section Ⅱ Part D[22]，S最大许用值取231 MPa。
根据应力分类的方法，Pm是指在内压的起因下，远离不连续处的总体薄膜应力，通过有限元软件计算，Pm的值为158.5 MPa，满足式(1)的条件。
在本例中的线性化评定时，路径1的起点为应力最大点A点，终点为沿筒体壁厚方向的A1点，路径2的起点为应力最大点A点，终点为沿接管壁厚方向的A2点。
根据有限元软件计算结果，局部一次薄膜应力加一次弯曲等效应力值分别为220.6 MPa和216.3 MPa，路径1为较大值，满足式(2)的条件。
应力评定结果见图6。
操作工况下的负载极限，计算得到的等效应力值应满足CC2843中5.2节(a)～(e)的条件要求。
(a) Pm≤Smt(3)在本例中，加氢反应器的操作温度取402 ℃，压力11.5 MPa。
查阅Section Ⅱ Part D[22]，Smt取235 MPa。
根据有限元软件计算结果，Pm=122.592 MPa，满足式(3)的条件。
(b) (PL+Pb)≤KSm(4)(PL+Pb/Kt)≤St(5)(c)在式(5)中，St的值由与(PL+Pb/Kt)计算得到的等效应力的持续时间t所决定。
在本例中，分别沿壁面方向取路径 3和路径4这两条路径进行评定。
路径3的起点为应力最大点B点，终点为沿筒体壁厚方向的B1点；路径4的起点为应力最大点B点，终点为沿接管壁厚方向的B2点。
根据有限元软件计算结果，局部一次薄膜应力加一次弯曲等效应力值分别为215.0 MPa和210.8 MPa。
通过查阅Section Ⅱ Part D[22]，Sm取229.95 MPa,则KSm=344.925 MPa。
经计算，路径3为较大值，满足式(4)的条件。
查阅Section Ⅱ Part D[22]St取230 MPa，这里，路径4为较大值，PL+Pb/Kt=162 MPa，满足式(5)的条件，应力评定结果见图7。
图6 设计工况下的等效应力云图及应力评定路径图7 操作工况下的等效应力云图及应力评定路径(6)本校核案例中，从图4可估算在一次循环中加氢反应器在402 ℃的保载时间约为308 s，根据1250次循环可得ti=107 h。
于是，经查阅tim=109 h，ti/tim≤1.0,符合式(6)的条件。
(7)在本例中，经查阅ASME Section Ⅱ Part D[22]中的图11-100.7到图11-100.11和图11-100.20到图11-100.25,由于tib>3×105，故ti/tib必然小于1，也自然符合了式(7)的条件。
以上(a)～(e)的计算结果汇总见表2。
表2 强度校核计算数据汇总项目Pm/MPa(PL+Pb)max/MPa(PL+PbKt)max/MPa设计工况158.500220.6—操作工况122.592215.0162综上所述，计算结果表明，该反应器结构符合载荷极限下的强度校核要求。
1.3 应变极限下的校核应变极限的要求和流程如图8所示。
