复合钢板压力容器焊缝高温蠕变研究

论文摘要

在高温腐蚀环境中,复合钢板以其可设计性强、耐腐蚀及性价比高等优势在石油化工领域得到越来越广泛的应用。然而在冶金、制造加工以及使用过程中,复合钢板压力容器结构中不可避免带有各种缺陷,特别是复合钢板压力容器焊缝处,因焊接工艺和结构的特殊,以及复合钢板两种组合材料之间的热物理性能、化学成分和组织上存在较大的差别,焊后复合钢板的焊缝出现包括位错、夹杂物和空隙等缺陷,长时间在高温作用下这些缺陷易产生蠕变空洞,出现蠕变裂纹,最终导致容器的蠕变断裂,给生产带来极大的损失,因此,复合钢板压力容器焊缝的高温蠕变研究成为亟待解决的重要课题。由于复合钢板焊接接头蠕变拉伸试件难于制备、蠕变实验耗时较长、费用昂贵,实验研究复合钢板压力容器焊缝的高温蠕变非常困难。而有限元（FEA）方法分析全面、耗时较短、费用低廉,已广泛应用于焊接构件高温性能的研究。本文从复合钢板压力容器焊缝的高温蠕变机理、高温作用的蠕变损伤及复合钢板压力容器高温蠕变裂纹的安全评定方法等方面进行了研究。1.运用金属材料黏弹性力学理论及损伤力学分析方法,进行了复合钢板压力容器焊缝的高温蠕变机理研究,分析了复合钢板压力容器的各层材质特性、焊缝焊接结构及高温蠕变损伤特性。建立了材料广义Kelvin模型的微分型本构关系,并由此导出了复合钢板压力容器筒体蠕变的粘弹性本构方程。2.采用国际通用有限元分析软件ANSYS10.0,对（304+16MnR）不锈钢复合钢板压力容器的焊缝处进行了高温蠕变模拟,其结果与同类实验和理论研究吻合。经数值分析结果表明:复合钢板压力容器焊缝的蠕变程度较母材严重、复层比基层严重,其中蠕变最严重的是焊缝复层热影响区,其次是焊缝过渡层界面。另外,t=0时刻,整个焊缝（复层、基层、过渡层）的蠕变应力与薄膜应力σz大致相等,进入蠕变第一阶段,复层的蠕变应力是逐渐增加,基层的蠕变应力是逐渐减小的,最后趋于稳定,蠕变最大蠕变应力出现在焊缝复层热影响区。3.本文采用英国标准BS7910-1999《金属结构中缺陷验收评定方法导则》的评定技术,并结合复合钢板压力容器本身的结构特点,提出一套适合复合钢板压力容器高温完整性的评定方法,将其不同功能的结构分开进行评定,基层按照一般压力容器的检测和评定方法,而复层主要检测评定是否出现裂纹,影响它的腐蚀功能。本课题采用有限元数值分析的方法,研究了复合钢板压力容器焊缝各个界面的蠕变应变场与应力场的分布规律,直观地反映焊缝各个界面的蠕变损伤程度,为复合钢板压力容器的优化设计、无损检测以及安全评定提供了可靠的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的选题背景
• 1.1.1 现实背景
• 1.1.2 科研背景
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 复合钢板的制备
• 1.2.2 复合钢板压力容器的焊接
• 1.2.3 焊接接头高温蠕变的研究现状
• 1.2.4 高温结构完整性评定规程
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变理论研究
• 2.1 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变分析
• 2.1.1 蠕变曲线分析
• 2.1.2 高温蠕变变形机理分析
• 2.1.3 高温蠕变断裂分析
• 2.1.4 高温蠕变断裂的影响因素
• 2.1.5 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变分析
• 2.2 复合钢板压力容器蠕变力学分析
• 2.2.1 弹性力学分析
• 2.2.2 黏弹性力学分析
• 2.2.3 复合钢板压力容器的黏弹性本构方程
• 第三章 常用复合钢板压力容器材料的高温性能
• 3.1 基层材料性能数据
• 3.2 复层材料性能数据
• 第四章 复合钢板压力容器焊缝的有限元分析
• 4.1 ANSYS 软件分析材料蠕变的原理
• 4.2 有限元模型的建立与数值求解
• 4.2.1 模型的简化
• 4.2.2 定义单元类型
• 4.2.3 曲线拟合蠕变方程
• 4.2.4 建立有限元模型
• 4.2.5 加载及求解
• 4.3 数值模拟结果与分析
• 4.3.1 数值模拟结果
• 4.3.2 焊缝各界面的蠕变应力、应变分析
• 4.3.3 时间域蠕变分析
• 4.4 蠕变数值分析讨论
• 4.4.1 数值分析结论
• 4.4.2 结果讨论
• 第五章 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变裂纹的评定
• 5.1 复合钢板压力容器的无损检测
• 5.1.1 无损检测方法
• 5.1.2 复合钢板压力容器焊缝的检测
• 5.2 常温下弹塑性断裂力学理论
• 5.2.1 线弹性断裂理论
• 5.2.2 弹塑性断裂理论
• 5.2.3 失效评定图技术
• 5.3 复合钢板压力容器焊缝高温蠕变裂纹的评定
• 5.3.1 高温蠕变裂纹扩展
• 5.3.2 基层高温蠕变裂纹评定过程
• 5.3.3 复层高温蠕变评定
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文