一种2.25Cr1MoV钢加氢反应设备蠕变疲劳寿命设计方法

第５１卷第６期　２０１　５年３月　机械工程学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥ　Ｇ　Ｖｏ１．５ｌ　ＮＯ．６　

Ｍａｒ．　２０１　５　

ＤｏＩ：１０．３９０１，ＪＭＥ．２０１５．Ｏ６．０５１　

一种２．２５ＣｒｌＭｏＶ钢加氢反应设备蠕变疲劳　

寿命设计方法水　

武欣宇　赵姿贞　陈　旭　

（天津大学化工学院天津３０００７２）　

摘要：加氢反应器在服役过程中会受到高温高压和循环载荷的共同作用，设计时必须同时考虑蠕变和疲劳的影响。ＡＳＭＥ规　范案例２６０５提供一种针对２．２５ＣｒｌＭｏＶ钢的蠕变疲劳寿命设计方法。借助有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，采用案例２６０５中的方　法对加氢反应设备圆柱简体直接管结构进行蠕变疲劳寿命校核，详细阐述该案例的设计思想和具体步骤，并讨论操作温度和　压力对于设计寿命的影响。结果表明，接管结构蠕变疲劳寿命校核满足要求，简体与直接管连接处出现应力集中，由于蠕变　应变的产生，应力集中处的应力值随蠕变时间的增加不断下降，蠕变损伤累积速度也随之下降。同时，提高操作温度和操作　压力均会造成蠕变损伤的增加，疲劳应力幅对蠕变疲劳的寿命影响较大。针对模拟结果，提出一些提高结构蠕变疲劳寿命的　措施。　

关键词：加氢设备；２．２５ＣｒｌＭｏＶ；蠕变疲劳　中图分类号：ＴＧ１１３；ＴＨ４９　

Ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　Ｃｒｅｅｐ　Ｆａｔｉｇｕｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｙｄｒ０ｇｅｎａｔｉ０ｎ　

Ｒｅａｃｔｏｒ　Ｍａｄｅ　０ｆ　２．２５Ｃｒ１ＭｏＶ　Ｓｔｅｅｌ　

ＷＵ　Ｘｉｎｙｕ　ＺＨＡＯ　Ｚｉｚｈｅｎ　ＣＨＥＮ　Ｘｕ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｓｕｆｆｅｒｓ　ｆｒｏｍ　ａ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　

ｓｅｒｖｉｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｃｒｅｅｐ　ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ．ＡＳＭＥ　ｃｏｄｅ　ｃａｓｅ　２６０５　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｍａｄｅ　ｏｆ　２．２５ＣｒｌＭｏＶ　ｓｔｅｅ１．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ．ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆｔｈｅｊｏｉｎｔ　ｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ｎｏｚｚｌｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｅｌａｂｏｒａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｄｅａ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｔｈｅ　ｃａｓｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｌｉｆｅ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｄａｍａｇｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｊｏｉｎｔ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ｎｏｚｚｌｅ　ａｐｐｅａｒｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｃｒｅｅｐ　ｓｔｒａｉｎ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｒｅｅｐ　ｄａｍａｇｅ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃｒｅｅｐ　ｔｉｍｅ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｎｌｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｃｒｅｅｐ　ｄａｍａｇｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｓｏｍｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；２．２５ＣｒｌＭｏＶ；ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　

０前言　

随着石油化工和煤化工行业以及加氢裂化和　加氢脱硫等工艺的发展，人们对加氢设备的需求量　越来越大，技术要求越来越高。２．２５ＣｒｌＭｏＶ钢具　有强度高、抗氢蚀抗氢脆、抗回火脆性和良好的抗　

国家自然科学基金资助项Ｈ（５１４３５０１２）。２０１４０７０２收到初稿，２０１４１１１０　收到修改稿　蠕变性能，特别适合高温高压临氢环境，是加氢设　

备的常用钢材　Ｊ。加氢反应器长期处在高温、高压　及交变载荷条件下工作，破坏行为与材料的疲劳和　蠕变性能密切相关。疲劳和蠕变交互作用所造成的　损伤，是限制此类设备使用寿命的重要因素　Ｊ。目　

前国内外压力容器设计标准大多针对纯疲劳或者纯　蠕变的失效模式，针对蠕变疲劳交互作用的设计标　准仍然很少。美国机械工程师学会（ＡＳＭＥ）设计标准　

第八卷第二章中提供了温度小于

３７１℃的疲劳寿　５６　机械工程学报　第５１卷第６期　

１００万ｈ纯蠕变寿命的曲线，故结构的寿命与温度　

无关。假设结构损伤均累积到０．９５，则相同应力下　温度越高，蠕变损伤越大，得到的纯蠕变寿命越短，　需要采用更短蠕变时间的寿命曲线，则相同应力下　

得到的蠕变疲劳寿命将变小。所以结构的蠕变疲劳　寿命除了与应力和温度有关，还与设计的结构形式　有密切关系，在设计过程中应充分考虑［１　。　３．３提高结构蠕变疲劳寿命的措施　

由Ｏｍｅｇａ蠕变损伤方程可知，损伤速度主要由　温度、应力水平及多轴Ｏｍｅｇａ损伤参数决定　川。当　

结构危险点三个方向主应力大小相近时，该点的多　轴Ｏｍｅｇａ损伤参数较大，损伤累积速度较快，会大　

大减小纯蠕变寿命，所以在操作温度和应力值一定　

时，设计时应注意减小多轴Ｏｍｅｇａ损伤参数。多轴　

Ｏｍｅｇａ损伤参数较大的点多出现在结构倒角、焊缝　

以及接管或简体轴径变化处，所以在此类结构设计　

时，应考虑结构的三向应力状态，避免出现多轴　

Ｏｍｅｇａ损伤参数较大的结构点，这样可以有效增加　结构的纯蠕变寿命。　

而疲劳应力幅是影响疲劳蠕变寿命的最主要　

因素。疲劳应力幅增大，会造成结构许用循环次数　大幅度减小Ｌ１引。同时疲劳应力幅增加，对应的当量　

塑性应变幅增大，也会造成蠕变寿命的下降。所以　

在结构设计过程中，应合理设计结构，尽可能减小　疲劳应力幅，能够有效提高蠕变疲劳的设计寿命。　

４　结论　

（１）ＡＭＳＥ规范案例２６０５提供了一种可行的蠕　变疲劳寿命设计方法，建立了不同损伤下的疲劳设　

计曲线，该方法可以用于加氢设备的蠕变疲劳分析。　

采用案例２６０５中方法，设备筒体接管结构疲劳蠕变　

寿命校核满足要求。　

（２）结构安定性分析方法中，当第３次卸载时，　

危险点不发生反向屈服，即可认为结构满足弹性安　定。蠕变疲劳设计过程中的疲劳应力幅通过线弹性　

分析获得；纯蠕变寿命通过嵌入Ｏｍｅｇａ蠕变子程序　

的非弹性分析获得。最后按照案例２６０５提供的疲劳　

设计曲线及蠕变寿命修正公式进行疲劳蠕变设计。　

（３）蠕变损伤速度主要与温度、应力及多轴　

Ｏｍｅｇａ损伤参数有关，减小以上参数可增加结构蠕　

变寿命。疲劳应力幅是影响疲劳蠕变寿命的最主要　

因素，结构设计时需要充分考虑。本文的案例及研　

究结果对承压设备高温下考虑蠕变疲劳交互作用下　

的结构设计具有指导意义和参考价值。　参考文献　

［１】柳曾典，陈进，卜华全，等．２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ．０．２５Ｖ钢加氢　反应器开发与制造中的一些问题［Ｊ】．压力容器，２０１１，　２８（５）：３３－４Ｏ．　ＬＩＵ　Ｚｅｎｇｄｉａｎ，ＣＨＥＮ　Ｊｉｎ，ＢＵ　Ｈｕａｑｕａｎ，ｅｔ　ａ１．　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ一０．２５Ｖ　ｓｔｅｅｌ　ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２８（５）：３３・４０．　【２】陈学东，范志超，江慧丰，等．复杂加载条件下压力容　

器典型用钢疲劳蠕变寿命预测方法［Ｊ】．机械工程学报，　２００９，４５（２）：８１－８７．　ＣＨＥＮ　Ｘｕｅｄｏｎｇ，ＦＡＮ　Ｚｈｉｃｈａｏ，ＪＩＡＮＧ　Ｈｕｉｆｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｃｒｅｅｐ・ｆａｔｉｇｕｅ　ｌｉｆｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｓｔｅｅｌｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，４５（２）：８１－８７．　［３］Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．Ｂｏｉｌｅｒ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｃｏｄｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ＶＩＩＩ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　２【Ｓ】．Ｎｅｗ　Ｙｂｒｋ：ＡＳＭＥ，２０１０．　［４］Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．Ｂｏｉｌｅｒ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｃｏｄｅ　ｃａｓｅ　２６０５－ｌ【１　Ｓ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＡＳＭＥ，　２０１０．　【５】ＶＩＶＩＯ　Ｆ，ＧＡＥＴＡＮＩ　Ｌ，ＦＥ剐　ＡＣＣＩ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｄｅｔａｉｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｍｅｇａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｃｒｅｅｐ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖｅｓｓｅｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｃ］／／Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ．Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．ＡＳＭＥ　２０１３　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｊｕｌｙ　１４－１　８，　２０１３，Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅ：ＡＳＭＥ，２０１３：Ｖ００３Ｔ０３Ａ１０８．　

［６】ＺＨＡＯ　Ｍ．Ｃｏｕｐｌｅｄ　ｃｒｅｅｐ　ｆａｔｉｇｕｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　２－１／４　Ｃｒ－ｌＭｏ－Ｖ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｐｅｒ　ｃｏｄｅ　ｃａｓｅ　２６０５［Ｃ］Ｚ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ．ＡＳＭＥ　２０１０　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ／Ｋ・ＰＶＰ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　Ｊｕｌｙ　１８—２２，２０１０，Ｂｅｌｌｅｖｕｅ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，ＵＳＡ：ＡＳＭＥ，　２０１０：６８７．６９１．　［７］章骁程，关凯书．ＡＳＭＥ规范案例２６０５－１在承压设备高　温疲劳寿命设计方面的应用［Ｊ］．压力容器，２０１３，