超高压水晶釜的安全评定

论文摘要

超高压水晶釜是生产人造水晶的关键设备，其服役条件的苛刻性及结构的特殊性使其容易发生事故，而且事故危害性大，为减少事故的发生，保障人民的生命与财产安全，进行水晶釜的安全分析与评定具有重要的意义。本文针对目前水晶釜的失效起因和破坏性质方面未达成共识，对各影响因素如何促成裂纹的形成并演化为应力腐蚀或腐蚀疲劳，还缺乏深入的综合分析，尤其对中高温蠕变的作用认识不够等情况，通过对一爆炸水晶釜的材料试验和疲劳、蠕变、腐蚀与断裂等的分析，取得安全分析与评定的基础性数据和方法，确定水晶釜失效的起因与机制，并对某厂在役水晶釜进行安全分析与评定。鉴于水晶釜釜体材料22Cr2Ni4MoVA钢的力学性能数据缺乏，针对福建某厂一台失效水晶釜的釜体材料，进行了较系统的拉伸、断裂与疲劳性能试验，以及硬度测试和金相分析，实测结果表明，该失效水晶釜长期经受380℃的温度和碱液的腐蚀后，材料化学成分虽基本未变，常温屈服强度也无明显下降，但断面收缩率下降幅度达29%，冲击功和断裂韧性远小于《超高压容器安全监察规程》的规定值，材料已严重脆化。为了解结构复杂的釜体底部的安全裕度情况，利用有限元法对筒体底部采用接触分析求得了水晶釜底部危险区域的最大应力和变形，同时将有限元计算筒体中部的结果与理论公式进行了比较，肯定了有限元模拟的准确性；从对失效水晶釜筒体部分的静强度、疲劳强度和断裂强度的分析计算，腐蚀损伤分析，以及蠕变、疲劳和腐蚀的交互损伤分析，结果表明：该水晶釜虽不满足“破前漏”条件，但在正常服役条件下，水晶釜中的最大应力远小于材料的屈服极限，不会造成高应力区材料的屈服；单纯的疲劳载荷、腐蚀和材质劣化，也不会造成水晶釜在服役8年后即发生破裂；水晶釜的失效起因于高温下材料的蠕变变形和持久极限下降，失效过程是疲劳、腐蚀和蠕变交互损伤的过程，失效模式表现为腐蚀疲劳和应力腐蚀调和作用下的脆性断裂。为防止水晶釜发生破裂事故，应设法改进底部结构，降低底部的应力集中与应力水平；选用蠕变强度高、无中高温回火脆性倾向的钢材；严格控制釜内温度，防止超温。在上述研究基础上，基于VB语言编制了水晶釜安全分析与评定软件，具体评定了某厂4个水晶釜的安全状况。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 超高压水晶釜的技术概况
• 1.2.1 超高压水晶釜服役工况
• 1.2.2 超高压水晶釜的结构和材料
• 1.3 国内外超高压水晶釜安全分析研究现状比较
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 22Cr2Ni4MoVA 钢的材料试验研究
• 2.1 试件简介
• 2.2 试验结果及分析
• 2.2.1 水晶釜材料的化学成分分析
• 2.2.2 水晶釜材料的机械性能试验
• 2.2.3 水晶釜断裂韧性测试
• 2.2.4 疲劳试验研究
• 2.3 断口金相分析
• 2.3.1 断口形貌
• 2.3.2 金相试样的制备
• 2.4 小结
• 第三章 超高压水晶釜的静强度分析
• 3.1 基本参数
• 3.1.1 水晶釜操作运行参数
• 3.1.2 水晶釜的结构尺寸
• 3.1.3 材料的力学性能
• 3.2 水晶釜的静强度应力校核
• 3.2.1 水晶釜釜体中部的应力分析
• 3.2.2 底部螺纹应力的理论分析与计算
• 3.3 超高压水晶釜的有限元分析
• 3.3.1 引言
• 3.3.2 主要技术参数
• 3.3.3 有限元建模
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 加载载荷
• 3.3.6. 计算结果与分析
• 3.4 小结
• 第四章 超高压水晶釜的疲劳断裂分析
• 4.1 常规疲劳分析
• 4.1.1 载荷分析
• 4.1.2 应力强度幅
• 4.1.3 平均应力强度
• 4.1.4 修正的当量应力强度幅σ/eq
• 4.1.5 材料的应力-寿命曲线（S-N 曲线）
• 4.1.6 热应力的疲劳寿命
• 4.2 裂纹形成寿命 N0估算
• 4.3 断裂分析
• 0、a_f）的确定'>4.3.1 初始和终止裂纹尺寸（a₀、a_f）的确定
• 4.3.2 釜体内壁表面裂纹应力强度因子K I的计算
• 4.3.3 水晶釜釜体疲劳断裂下限值的计算
• 4.3.4 水晶釜釜体裂纹不扩展时的极限内压Pth
• 4.3.5 水晶釜釜体不发生脆断时的最大允许内压Pc
• 4.3.6 水晶釜最大允许内压时的内壁应力
• 4.3.7 水晶釜釜体的临界裂纹尺寸a c
• 4.3.8 水晶釜的先漏后破（LBB）条件
• 4.3.9 水晶釜釜体裂纹扩展速率
• 4.4 水晶釜失效模式的探讨
• 4.4.1 水晶釜的腐蚀损伤
• 4.4.2 蠕变疲劳和腐蚀的交互损伤
• 4.4.3 超高压水晶釜的失效模式
• 4.5 本章小结
• 第五章 超高压水晶釜安全评定系统说明
• 1 背景简介
• 2 软件的主要内容及功能
• 3 软件功能简图
• 3.1 符号说明
• 3.2 系统流程框图
• 4 程序操作说明
• 5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在硕士期间发表的论文
• 附录