唐艷芳

上海時(shí)鑒工程技術(shù)有限公司（上海 201203）

美國(guó)壓力容器研究委員會(huì)（Pressure Vessel Research Committee)的高溫設(shè)計(jì)分委員會(huì)成立于1969年，最初只服務(wù)于美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）鍋爐及壓力容器規(guī)范第III卷核設(shè)施部件構(gòu)造規(guī)則的核級(jí)部件，后來(lái)也服務(wù)于煉油、石化和煤化工等領(lǐng)域。鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷壓力容器建造規(guī)則第一冊(cè)（下文簡(jiǎn)稱ASME VIII-1）[1]和第二冊(cè)（下文簡(jiǎn)稱ASMEVIII-2）[2]的許用應(yīng)力都允許用到蠕變范圍內(nèi)，但對(duì)涉及高溫設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題卻沒(méi)有給出處理的指導(dǎo)原則和方向。例如：ASMEVIII-1和ASMEVIII-2都允許用補(bǔ)強(qiáng)板（圈）對(duì)接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，但沒(méi)有明文規(guī)定這樣的結(jié)構(gòu)不能用于高溫設(shè)計(jì)；當(dāng)容器的溫度和壁厚增加時(shí)，ASME VIII-1和ASME VIII-2沒(méi)有說(shuō)明應(yīng)該采用何種結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，比如高溫下立式容器的裙座支撐與殼體連接設(shè)計(jì)等；ASME VIII-1和ASMEVIII-2認(rèn)可一些短時(shí)的載荷作用（如風(fēng)載荷和地震載荷）下，可以采用更高的許用應(yīng)力，但缺少對(duì)溫度、作用時(shí)間的具體規(guī)定。

ASMEVIII-1 UG-22要求考慮容器設(shè)計(jì)中涉及的所有載荷，但實(shí)際上ASME VIII-1不可能處理所有載荷。這些空白，特別是涉及高溫下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和要求，通常會(huì)在工藝條件或者一些公司設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行明確。很多公司擁有高溫設(shè)備運(yùn)行和設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，形成了一些公司級(jí)別的設(shè)計(jì)要求，主要用于改善高溫下設(shè)備的可靠性。這些針對(duì)高溫的額外要求，一般比規(guī)范更為嚴(yán)格，同時(shí)也會(huì)使設(shè)備的成本增加。

很多容器長(zhǎng)期運(yùn)行于蠕變溫度范圍，但沒(méi)發(fā)生蠕變或蠕變疲勞等失效。這充分說(shuō)明，基于過(guò)去的一些經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和操作運(yùn)行加以規(guī)定，可以確保容器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行于蠕變溫度范圍，而不發(fā)生高溫開裂。對(duì)于高溫設(shè)備設(shè)計(jì)，除了復(fù)雜的計(jì)算和分析方法外，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)、選材、制造、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面都有很多值得注意的事項(xiàng)。本文主要對(duì)這些注意事項(xiàng)進(jìn)行闡述，并總結(jié)一些適用于高溫應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和細(xì)節(jié)，為工程設(shè)計(jì)人員在高溫設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

1 高溫裂紋的萌生位置和影響因素

在高溫下，設(shè)備極其容易發(fā)生的破壞形式是裂紋。常見高溫工藝裝置的經(jīng)驗(yàn)表明：一些運(yùn)行于材料蠕變溫度范圍的壓力容器，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)開裂。這類開裂通常發(fā)生在應(yīng)力集中處、局部熱梯度處或者焊縫的熱影響區(qū)。即使是在遠(yuǎn)離應(yīng)力集中和局部熱梯度的部位，也會(huì)出現(xiàn)開裂[3]。高溫設(shè)備開裂的影響因素眾多，包括特定材料、化學(xué)成分、熱處理及焊接相關(guān)的因素等。常見的開裂部位主要有：（1）接管與補(bǔ)強(qiáng)板的連接焊縫，接管（包括人孔或外接管道）與筒體的連接焊縫；（2）支座的連接焊縫，如裙座或耳座與殼體的連接焊縫；（3）中間封頭與殼體的連接焊縫；（4）其他附件與殼體的連接焊縫；（5）遠(yuǎn)離應(yīng)力集中和熱梯度部位的環(huán)向和縱向主焊縫。

影響開裂的一個(gè)主要因素是焊接熱影響區(qū)的缺口敏感性。運(yùn)行于454～566℃的Cr-Mo鋼，因延性降低，在多軸應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生晶間失效。研究表明：晶粒硬化會(huì)阻礙應(yīng)力松弛，從而發(fā)生晶界滑移，進(jìn)而引發(fā)晶界失效。如果晶界微觀結(jié)構(gòu)處的變形困難，就會(huì)發(fā)生開裂。和焊后熱處理開裂類似，這種缺口敏感性發(fā)生在較低溫度時(shí)，會(huì)持續(xù)一段較長(zhǎng)的時(shí)間。熱影響區(qū)的裂紋最有可能發(fā)生在焊后熱處理不當(dāng)或沒(méi)有進(jìn)行焊后熱處理的結(jié)構(gòu)處，在操作溫度下應(yīng)力會(huì)繼續(xù)松弛，如果疊加操作應(yīng)力和已存在的殘余應(yīng)力，情況會(huì)更加惡劣。

2 高溫焊縫的設(shè)計(jì)考慮

大部分在役壓力容器的失效始于焊縫或相關(guān)的熱影響區(qū)，在高溫下更是如此。焊縫金屬的性能容易受高溫影響而下降，如果位置及設(shè)計(jì)不合理，焊縫就成為壓力容器中最容易發(fā)生失效的位置。焊縫通常處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，如接管和殼體連接處，因疊加了幾何不連續(xù)和材料不連續(xù)的影響，附近會(huì)產(chǎn)生局部高應(yīng)力，在交變載荷的作用下，容易引起蠕變損傷的累積、疲勞裂紋的萌生或蠕變疲勞的交互作用。高溫下的焊縫設(shè)計(jì)至關(guān)重要，主要包括焊縫位置的選擇、焊接坡口的形狀及焊接設(shè)計(jì)許用值的選用等。

焊縫設(shè)計(jì)時(shí)，要遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，被焊接邊緣的尺寸和形狀應(yīng)使其能完全熔合和完全焊透。承壓接頭不允許采用角焊縫。焊接完成后進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?。以不等厚截面之間的焊縫為例：對(duì)于厚度相差大于其中較薄截面厚度的四分之一的兩截面之間的A類和B類焊接接頭，通常采用圖1[4]中的錐形過(guò)渡段，因?yàn)樵撐恢镁哂锌傮w結(jié)構(gòu)不連續(xù)的特點(diǎn)。對(duì)于厚度大于相同內(nèi)徑筒體厚度的橢圓形封頭或半球形封頭，如果其剩余厚度足夠，則加工至筒體的外徑，這種過(guò)渡的適用性可由應(yīng)力分析判斷。

圖1 不等厚截面的A類和B類焊接接頭

焊縫中材料和幾何結(jié)構(gòu)的不連續(xù)將導(dǎo)致應(yīng)力集中，所以按一次應(yīng)力來(lái)處理。焊縫的蠕變壽命比基材短，如果壓力容器的設(shè)計(jì)是基于基材的，那么必須使用應(yīng)力減弱系數(shù)來(lái)確保焊縫金屬中的操作應(yīng)力足夠小，以滿足蠕變損傷和蠕變壽命的要求。ASME第III卷第1冊(cè)NH分卷高溫1級(jí)部件（下文簡(jiǎn)稱ASME III-NH）采用了基于單軸應(yīng)力的應(yīng)力減弱系數(shù)，相比考慮多軸應(yīng)力的方法，該方法相對(duì)保守。

3 許用用力的考慮

溫度升高時(shí)的許用應(yīng)力由蠕變和應(yīng)力斷裂強(qiáng)度決定。ASME VIII-1的許用應(yīng)力取以下三項(xiàng)的小值：（1）1 000 h產(chǎn)生0.01%最小蠕變率的平均應(yīng)力的100%；（2）10萬(wàn)小時(shí)斷裂的平均應(yīng)力的67%；（3）10萬(wàn)小時(shí)斷裂的最小應(yīng)力的80%。

此外，要注意高溫下的材料應(yīng)力值是基于實(shí)驗(yàn)室條件的有代表性的性能，并沒(méi)有考慮腐蝕環(huán)境、異常溫度或其他設(shè)計(jì)條件。ASME VIII-1 UG-23（c）考慮了恒定載荷和瞬態(tài)載荷以及相關(guān)的許用應(yīng)力。

ASME VIII-2進(jìn)行彈性分析時(shí)允許進(jìn)入蠕變溫度范圍，其許用應(yīng)力按以下四項(xiàng)取小值；JB 4732—1995《鋼制壓力容器 分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]按（1）、（2）、（4）項(xiàng)取小值：（1）基于屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度準(zhǔn)則所給出的許用應(yīng)力；（2）導(dǎo)致10萬(wàn)小時(shí)內(nèi)斷裂的平均應(yīng)力的67%；（3）導(dǎo)致10萬(wàn)小時(shí)內(nèi)斷裂的最小應(yīng)力的80%；（4）導(dǎo)致最小蠕變率（0.01%/1 000 h）所用應(yīng)力的100%。

4 多工況的考慮

在壓力容器的實(shí)際運(yùn)行中會(huì)有不同的操作條件，所以壓力容器設(shè)計(jì)通常需要考慮多種工況，如正常操作工況、特殊載荷工況、意外載荷工況等。目前，大多數(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)考慮最苛刻的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，且二者同時(shí)發(fā)生。對(duì)于高溫蠕變?cè)O(shè)計(jì)，這種做法極其保守。因?yàn)橄鄬?duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)壽命，最苛刻的設(shè)計(jì)工況可能只是短時(shí)發(fā)生。

目前壓力容器規(guī)范中并不允許短時(shí)超限的設(shè)計(jì)方法，但在工藝管道規(guī)范AMSE B31.3-2017[6]中允許短時(shí)的超壓和超溫：當(dāng)超壓和超溫每次持續(xù)時(shí)間小于10 h，每年累計(jì)時(shí)間不超過(guò)100 h，允許許用應(yīng)力提升至33%；當(dāng)超壓和超溫每次持續(xù)時(shí)間小于50 h，每年累計(jì)不超過(guò)500 h，允許許用應(yīng)力提升20%。這種許用應(yīng)力的提升與溫度無(wú)關(guān)，即不管高于或低于蠕變溫度，都采用相同的許用應(yīng)力。低于蠕變溫度時(shí)，這樣的調(diào)整對(duì)碳鋼意味著應(yīng)力可以接近最小屈服強(qiáng)度的90%，對(duì)不銹鋼而言，基本等于屈服強(qiáng)度。

處理多工況的途徑之一是采用“使用系數(shù)”準(zhǔn)則，如Miller，ASMEIII-NH和ASMEB31.3-2017都采用了類似的規(guī)則。

5 蠕變疲勞的考慮

蠕變疲勞損傷機(jī)制是設(shè)備在高溫環(huán)境下最重要的失效模式。焊接研究委員會(huì)394公告（WRC 394[7]）給出了一種評(píng)估蠕變疲勞損傷的簡(jiǎn)化方法。該方法需要的材料數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)的拉伸、蠕變斷裂、疲勞及蠕變疲勞數(shù)據(jù)。雖然是簡(jiǎn)化方法，但實(shí)際應(yīng)用還是很復(fù)雜。更復(fù)雜的蠕變疲勞考慮還包括高溫氧化或其他在裂紋萌生中起重要作用的各種材料系數(shù)。某些情況下，這些系數(shù)是蠕變疲勞損傷機(jī)理的決定因素[8]。由于大部分壓力容器在穩(wěn)定加載工況和相對(duì)少的操作循環(huán)下運(yùn)行，而且蠕變疲勞可能不是最關(guān)心的失效模式，也有可能是可以被免除的，所以常規(guī)設(shè)計(jì)中是否引入蠕變疲勞規(guī)則還是需要謹(jǐn)慎考慮。

根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件，可以根據(jù)以下方面來(lái)考慮是否豁免蠕變疲勞[3]：（1）常規(guī)的升溫降溫次數(shù)不超過(guò)100次；（2）升降溫差不超過(guò)37.8℃（以進(jìn)口流體溫度計(jì)）；（3）滿足一些機(jī)械設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)要求；（4）滿足焊接幾何和焊接檢測(cè)的要求；（5）承壓部件的焊縫或非承壓部件和承壓部件之間的焊縫不允許異種鋼焊接；（6）與類似工況的可比設(shè)備進(jìn)行比較。

同時(shí)，還需注意高溫環(huán)境因素，如材料氧化和其他與裂紋萌生有關(guān)的材料因素，對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)評(píng)估，并在選材、設(shè)計(jì)及操作過(guò)程中包含安全措施。

基于ASMEⅧ-2設(shè)計(jì)的壓力容器，如需進(jìn)行蠕變及蠕變疲勞工況下的分析設(shè)計(jì)，可借助ASME規(guī)范案例2605-2[9]和ASME規(guī)范案例2843[10]來(lái)實(shí)現(xiàn)。ASME規(guī)范案例2605-2在ASMEⅧ-2的基礎(chǔ)上拓展了材料的高溫疲勞設(shè)計(jì)曲線，采用Omega蠕變損傷模型，為塑性垮塌、蠕變、蠕變棘輪和蠕變疲勞交互作用等4種蠕變失效模式提供了高溫蠕變疲勞壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。ASME規(guī)范案例2843幾乎完全參照ASME III-NH中的分析方法，即通過(guò)對(duì)載荷控制的應(yīng)力、應(yīng)變和變形、蠕變疲勞交互作用以及屈曲等進(jìn)行限制來(lái)避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生因蠕變作用導(dǎo)致的破壞。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮

ASME VIII-1中允許使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高溫下極易發(fā)生損傷或破壞。為確定這些結(jié)構(gòu)是否合理，方案之一是進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。但有時(shí)一些設(shè)備是按常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)是基于常規(guī)設(shè)計(jì)選用的，從高溫設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，是不合適的。

（1）接管開孔處

容器上的接管開孔處是典型的應(yīng)力集中和高熱應(yīng)力區(qū)，很多容器裂紋都發(fā)生在接管連接處。雖然ASME VIII-1中圖UW-16.1給出了很多接管開孔的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但很多在高溫下不宜采用，如非全焊透的焊接結(jié)構(gòu)。高溫下禁止采用部分焊透，主要是為了減小應(yīng)力集中和局部熱應(yīng)力。因此，接管連接處不僅要全焊透，焊縫表面還要打磨光滑。

（2）容器支座

對(duì)于高溫工況，容器支座連接處會(huì)承受相對(duì)高的載荷，同時(shí)也承受較大的熱梯度和應(yīng)力集中。如果承受循環(huán)載荷，更容易發(fā)生疲勞開裂。厚度大于50 mm的容器會(huì)存在較大的熱應(yīng)力，即便處于非循環(huán)工況，沿厚度方向也會(huì)有顯著的熱梯度。因此，所有的支座（如裙座、耳座等）與容器或封頭的連接處都應(yīng)該全焊透。

以裙座支撐為例，在高溫下，可以采用圖2的結(jié)構(gòu)形式。圖2（a）中下封頭、裙座和殼體都對(duì)焊于一段環(huán)形鍛件上；圖2（b）中先在封頭上堆焊焊接金屬，然后將裙座與堆焊焊接金屬對(duì)焊。這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅方便焊接和檢測(cè)，還可獲得更好的焊接質(zhì)量。

圖2 高溫下適用的裙座支撐結(jié)構(gòu)

高溫條件下，裙座支撐的容器，在裙座-殼體連接部位可以采用類似圖3的熱箱結(jié)構(gòu)來(lái)降低局部熱梯度和應(yīng)力集中。對(duì)于承受循環(huán)載荷的容器（如延遲焦化塔），為了減小熱疲勞應(yīng)力，提高容器的長(zhǎng)期可靠性，需要增加一些附加的設(shè)計(jì)要求，如采用應(yīng)力分析方法來(lái)優(yōu)化裙座上的開槽數(shù)量、位置和大?。蝗棺捎脤?duì)焊結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中[11]。

圖3 熱箱結(jié)構(gòu)

（3）中間封頭

采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)時(shí)，中間封頭與殼體連接處經(jīng)常采用圖4（a）所示結(jié)構(gòu)，但角焊縫容易開裂。因此，高溫條件下，宜選用如圖4（b）所示的對(duì)焊結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)環(huán)形鍛件將中間封頭和殼體進(jìn)行對(duì)焊連接，這種結(jié)構(gòu)不容易開裂。

（4）殼體和封頭的主焊縫

ASME VIII-1中表UW-12定義了適用于A，B，C和D 4種焊接類型的許用焊接接頭類型，可見ASME VIII-1圖UW-3，其中，接頭類型（4）和（5）不能用于高溫場(chǎng)合，因?yàn)檫@些焊縫是角焊縫，在高溫下很容易發(fā)生裂紋。如果采用接頭類型（2），為了避免局部應(yīng)力集中，必須去除條狀墊板。無(wú)論在何種工況下，都要求采用全焊透結(jié)構(gòu)，對(duì)于類型（1）、（2）、（3），還要求去除墊板。

圖4 中間封頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（5）平板轉(zhuǎn)角處的連接

ASME VIII-1給出了平板和受壓件轉(zhuǎn)角處的連接，如圖5所示。兩種類型均為角焊縫，不能用于高溫，必須采用對(duì)焊連接。

圖5 平板轉(zhuǎn)角處的連接不適用焊接接頭

（6）非承壓附件與殼體封頭的連接

殼體和封頭上典型的非承壓附件包括外壓加強(qiáng)圈、保溫支撐圈、內(nèi)部塔盤和催化劑床支撐、梯子墊板和局部加強(qiáng)板等。所有采用角接接頭的附件（如外壓加強(qiáng)圈等）應(yīng)采用雙面連續(xù)焊，以減小焊縫起焊處和結(jié)束處的局部應(yīng)力集中和熱梯度。所以，ASME VIII-1中圖UG-30的一些焊接形式不能用于高溫場(chǎng)合。對(duì)于一些重要支撐（如反應(yīng)器的催化劑床），如采用角接焊縫，則應(yīng)該選用全焊透的焊接方式，以降低局部應(yīng)力集中和熱梯度。

管道在容器殼體上的支撐件通常會(huì)受到較大的管道載荷作用，這些支撐件與殼體的連接應(yīng)采用全焊透焊縫。另外還需要根據(jù)實(shí)際載荷、溫度和應(yīng)力情況，選擇局部加厚筒體或采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)。在高溫下，避免使用通過(guò)角焊縫焊于殼體上的加強(qiáng)板，因?yàn)榇颂幍木植繜崽荻群鸵鸬膽?yīng)力將導(dǎo)致角焊縫的開裂。如果使用加強(qiáng)板，角焊縫必須是細(xì)長(zhǎng)型的，而且要打磨光滑。

7 結(jié)語(yǔ)

目前一些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高溫設(shè)備時(shí)，通常采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法，許用應(yīng)力按高溫蠕變極限或持久強(qiáng)度選取，但常規(guī)設(shè)計(jì)的一些可用結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法都是基于低溫設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，因此在高溫下并不適用，且不足以保證高溫設(shè)備的安全性[12～14]。針對(duì)在高溫裂紋萌生的高應(yīng)力集中處、局部熱梯度處或者焊縫熱影響區(qū)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮，目的是降低高溫裂紋萌生的可能。另外，選材、材料和制造質(zhì)量的控制、檢驗(yàn)等在高溫設(shè)計(jì)中也不容忽視，尤其是厚壁（壁厚大于50 mm）壓力容器，需要更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)限制、材料質(zhì)量控制及檢測(cè)要求。

高溫蠕變疲勞的失效模式分析與服役條件、環(huán)境因素、失效現(xiàn)象、損傷機(jī)理、材料特性等相關(guān)。在壓力容器的高溫分析設(shè)計(jì)中，從高溫裂紋萌生的位置和影響因素入手，對(duì)高溫焊縫設(shè)計(jì)、許用應(yīng)力的選擇、多工況的考慮、蠕變疲勞的豁免、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的注意事項(xiàng)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，可為工程設(shè)計(jì)人員提供參考，以保證高溫設(shè)備的運(yùn)行安全。