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超高压管式反应器安全工程中损伤问题的研究

刘长海  
【摘要】: 超高压管式反应器(以下简称反应器)是聚乙烯生产装置中关键设备之一,其运行是否安全可靠直接关系到企业的产值、利润,甚至人的生命。反应器安全工程中的损伤问题研究是工程界和理论界急需解决的现实问题。对这一问题进行探索性的研究,将为反应器安全研究和工程中制定合理检维修计划,提供可依赖性的理论依据。 针对实际工程提出的问题,论文试图在损伤力学的层面上揭示反应器的损伤机理。从损伤力学理论的角度,结合试验,对反应器的自增强损伤机理、反应器疲劳损伤寿命、热冲击下反应器残余应力的衰减等问题展开研究工作。 由反应器工作的现场提取试样,依据反应器实际运行条件(温度、压力等)和服役史(运行记录),进行了一系列反应器材料30CrNiMo8钢的常规力学试验和疲劳损伤试验。反应器的疲劳试验结果充分反映了反应器材料在不同应力应变水平下的疲劳寿命。这对该反应器进行检验与评定提供了可靠的数据。由于该钢材为引进材料,国内对这种型号的钢材料还没有进行系统的研究,因此,本试验结果将为国内该材料反应器的设计及维护提供可靠的数据基础。 在阐述热力学内变量理论与损伤本构方程、各向同性材料耦合损伤理论的基础上,建立了非线性损伤本构方程等损伤理论模型。研究了反应器自增强损伤的机理。采用细观力学的方法,建立并给出了损伤区和判定初始损伤区的条件;指出用损伤技术使反应器圆筒产生自增强的原因,是由于其材料内部细观结构的变化。从残余应力计算中可知,采用损伤力学原理,使厚壁圆筒产生自增强的效果,从理论上是可行的。 反应器裂纹萌生寿命是衡量反应器安全等级的重要参量,进行反应器的疲劳试验和疲劳损伤分析是反应器安全损伤研究的必须环节。由疲劳循环和损伤间存在耦合关系出发,从唯象的角度,基于低周疲劳试验和高低循环复合疲劳试验,建立并确定了裂纹萌生寿命的疲劳损伤模型。进一步给出弹、塑性光滑试件疲劳裂纹萌生寿命弹性解、塑性解和弹塑性通解的公式。该公式具有一个反映结构形状与边界条件约束的影响函数f(ξ),其中ξ与即时周期的应力、应变分布相关,因而它不仅考虑了材料本身的疲劳特性,同时还考虑具体结构特性和环境载荷的作用情况。与Manson-coffin公式相比,公式具有的准确性和适用性,不仅为工程实际问题的解决提供了方便,而且在理论上具有创新性。 应用损伤理论和实验进行了反应器实际工况的疲劳损伤分析,确定了反应器实际裂纹萌生寿命,得出反应器的有效损伤半径和影响参数及影响参数的函数值,从而给出裂纹萌生寿命的设计曲线及计算公式。这些为反应器的安全评估提供了理论和实验的参考依据。 哈尔滨工程大学博士学位论文 提出了疲劳寿命的减少系数凡的概念,给出了计算凡预测结构的疲劳 寿命的具体过程,这一问题的研究使以平滑材料控制应变疲劳试验得出的 S一N曲线图为基础来预测有损伤材料的疲劳寿命成为可能。 反应器既要承受上千度异常高温,又要承受温度、压力急剧增加和急剧 下降的过程,造成了反应器的热冲击损伤。论文研究了反应器承受热冲击作 用的应力响应,给出了热弹性力学基本方程及方程解,探讨了热应力随时间 的变化及当量应力与半径的关系,从而为研究反应器减小热冲击损伤提供了 理论参考。 对反应器自增强损伤机理和疲劳损伤等问题的研究为超高压容器取材、 安全性设计以及确保高压容器长期、稳定和安全运行有着建设和指导意义。


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