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特种压力容器用钢2.25Cr1Mo的中温低周疲劳行为及寿命评估技术的研究

李贵军  
【摘要】:炼油、石油化工工业中,加氢装置的关键设备——加氢反应器操作条件苛刻,处在中温、高压临氢环境。操作过程中的温度和压力波动,以及丌停工过程中压力和温度的变化会引起应力循环疲劳,引起裂纹萌生和已存在缺陷的疲劳扩展。本文以加氢反应器应用最广泛的2.25CrlMo钢为研究对象,对其进行了常温、中温下的低周疲劳试验和疲劳裂纹扩展试验,对其低周疲劳行为和裂纹扩展规律有了较为全面的认识,建立了中温环境低周疲劳设计曲线,得到了疲劳裂纹扩展规律,并建立了寿命预测的损伤力学模型。主要研究内容如下: 在2.25CrlMo钢室温总应变控制低周疲劳试验的基础上,得到了2.25CrlMo钢循环应力应变关系和应变幅—寿命关系,以及材料的虚拟应力幅与寿命之间的关系曲线。按Peterson公式进行平均应力修正后,按ASME规范的方法对应力和寿命分别取安全系数,得到了2.25CrlMo钢的低周疲劳设计曲线,并与ASME和BS5500规范曲线进行了比较,为加氢反应器的抗疲劳设计提供了依据。 在综述国内外损伤力学理论研究及损伤力学在疲劳研究中的应用进展的基础上,提出了一种耗散势模型,并以循环总应力幅定义损伤变量,得到了2.25CrlMo钢的室温低周疲劳损伤演化方程,比较发现模型与试验结果符合得较好。为损伤力学应用于加氢反应器的疲劳寿命预测做了初步探索。 通过对中温350℃和420℃下的应力控制疲劳试验数据的分析,得到了两个温度下的应力寿命曲线。进行平均应力修正并按ASME规范的方法对应力和寿命分别取安全系数,将得到的曲线与ASME规范曲线进行了比较,得到了两个温度下的疲劳设计曲线。 进行了室温和中温下的疲劳裂纹扩展试验,得到了不同温度下2.25CrlMo钢疲劳裂纹扩展的Paris公式,在进行了温度对疲劳裂纹扩展速率的影响分析的基础上,提出了温度影响因子概念,得到了考虑温度影响的疲劳裂纹扩展速率公式,为加氢反应器中裂纹在循环载荷下的扩展计算提供了依据。 浙江大学博士学位论文 利用扫描电子显微镜对不同温度下裂纹扩展试样断口进行了显微分析,初步认识 了不同温度下的疲劳裂纹扩展的微观特征。最后利用本文的研究结果对一台加氢精制 反应器裂纹的疲劳扩展进行了估算,对其安全性进行了分析,提出了设备安全运行的 建议。 本文创新点为:对郑修麟提出的应力疲劳寿命预测公式进行了修正,利用修正的 公式得到了2.25Cr1Mo钢的350℃和420℃下的应力疲劳寿命曲线,建立了350℃和 420℃时的低周疲劳设计曲线,为建立操作温度为350碑20℃时加氢反应器的疲劳设 计方法提供了重要依据;根据不同温度下的疲劳裂纹扩展试验结果,考虑温度影响, 提出温度影响因子概念,得到了考虑温度影响的疲劳裂纹扩展速率公式;提出了一种 耗散势模型,以此为基础得到了低周疲劳损伤演化方程,为损伤力学应用于加氢反应 器的寿命预测进行了初步探索。


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