高溫壓力容器設計注意事項

唐艷芳

上海時鑒工程技術有限公司（上海 201203）

美國壓力容器研究委員會（Pressure Vessel Research Committee)的高溫設計分委員會成立于1969年，最初只服務于美國機械工程師協會（ASME）鍋爐及壓力容器規范第III卷核設施部件構造規則的核級部件，后來也服務于煉油、石化和煤化工等領域。鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷壓力容器建造規則第一冊（下文簡稱ASME VIII-1）[1]和第二冊（下文簡稱ASMEVIII-2）[2]的許用應力都允許用到蠕變范圍內，但對涉及高溫設計的一些問題卻沒有給出處理的指導原則和方向。例如：ASMEVIII-1和ASMEVIII-2都允許用補強板（圈）對接管進行補強，但沒有明文規定這樣的結構不能用于高溫設計；當容器的溫度和壁厚增加時，ASME VIII-1和ASME VIII-2沒有說明應該采用何種結構細節，比如高溫下立式容器的裙座支撐與殼體連接設計等；ASME VIII-1和ASMEVIII-2認可一些短時的載荷作用（如風載荷和地震載荷）下，可以采用更高的許用應力，但缺少對溫度、作用時間的具體規定。

ASMEVIII-1 UG-22要求考慮容器設計中涉及的所有載荷，但實際上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構設計和要求，通常會在工藝條件或者一些公司設計文件中進行明確。很多公司擁有高溫設備運行和設計的經驗，形成了一些公司級別的設計要求，主要用于改善高溫下設備的可靠性。這些針對高溫的額外要求，一般比規范更為嚴格，同時也會使設備的成本增加。

很多容器長期運行于蠕變溫度范圍，但沒發生蠕變或蠕變疲勞等失效。這充分說明，基于過去的一些經驗，通過對設計、制造、檢驗和操作運行加以規定，可以確保容器長期穩定運行于蠕變溫度范圍，而不發生高溫開裂。對于高溫設備設計，除了復雜的計算和分析方法外，在設備的結構、選材、制造、檢驗檢測等方面都有很多值得注意的事項。本文主要對這些注意事項進行闡述，并總結一些適用于高溫應用的設計注意事項和細節，為工程設計人員在高溫設計時提供參考。

1 高溫裂紋的萌生位置和影響因素

在高溫下，設備極其容易發生的破壞形式是裂紋。常見高溫工藝裝置的經驗表明：一些運行于材料蠕變溫度范圍的壓力容器，運行一段時間后會出現開裂。這類開裂通常發生在應力集中處、局部熱梯度處或者焊縫的熱影響區。即使是在遠離應力集中和局部熱梯度的部位，也會出現開裂[3]。高溫設備開裂的影響因素眾多，包括特定材料、化學成分、熱處理及焊接相關的因素等。常見的開裂部位主要有：（1）接管與補強板的連接焊縫，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）遠離應力集中和熱梯度部位的環向和縱向主焊縫。

影響開裂的一個主要因素是焊接熱影響區的缺口敏感性。運行于454～566℃的Cr-Mo鋼，因延性降低，在多軸應力狀態下會發生晶間失效。研究表明：晶粒硬化會阻礙應力松弛，從而發生晶界滑移，進而引發晶界失效。如果晶界微觀結構處的變形困難，就會發生開裂。和焊后熱處理開裂類似，這種缺口敏感性發生在較低溫度時，會持續一段較長的時間。熱影響區的裂紋最有可能發生在焊后熱處理不當或沒有進行焊后熱處理的結構處，在操作溫度下應力會繼續松弛，如果疊加操作應力和已存在的殘余應力，情況會更加惡劣。

2 高溫焊縫的設計考慮

大部分在役壓力容器的失效始于焊縫或相關的熱影響區，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，如果位置及設計不合理，焊縫就成為壓力容器中最容易發生失效的位置。焊縫通常處于結構不連續處，如接管和殼體連接處，因疊加了幾何不連續和材料不連續的影響，附近會產生局部高應力，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。高溫下的焊縫設計至關重要，主要包括焊縫位置的選擇、焊接坡口的形狀及焊接設計許用值的選用等。

焊縫設計時，要遠離結構不連續區域，被焊接邊緣的尺寸和形狀應使其能完全熔合和完全焊透。承壓接頭不允許采用角焊縫。焊接完成后進行適當的焊后熱處理。以不等厚截面之間的焊縫為例：對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]中的錐形過渡段，因為該位置具有總體結構不連續的特點。對于厚度大于相同內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，這種過渡的適用性可由應力分析判斷。

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構的不連續將導致應力集中，所以按一次應力來處理。焊縫的蠕變壽命比基材短，如果壓力容器的設計是基于基材的，那么必須使用應力減弱系數來確保焊縫金屬中的操作應力足夠小，以滿足蠕變損傷和蠕變壽命的要求。ASME第III卷第1冊NH分卷高溫1級部件（下文簡稱ASME III-NH）采用了基于單軸應力的應力減弱系數，相比考慮多軸應力的方法，該方法相對保守。

3 許用用力的考慮

溫度升高時的許用應力由蠕變和應力斷裂強度決定。ASME VIII-1的許用應力取以下三項的小值：（1）1 000 h產生0.01%最小蠕變率的平均應力的100%；（2）10萬小時斷裂的平均應力的67%；（3）10萬小時斷裂的最小應力的80%。

此外，要注意高溫下的材料應力值是基于實驗室條件的有代表性的性能，并沒有考慮腐蝕環境、異常溫度或其他設計條件。ASME VIII-1 UG-23（c）考慮了恒定載荷和瞬態載荷以及相關的許用應力。

ASME VIII-2進行彈性分析時允許進入蠕變溫度范圍，其許用應力按以下四項取小值；JB 4732—1995《鋼制壓力容器 分析設計標準》[5]按（1）、（2）、（4）項取小值：（1）基于屈服強度和斷裂強度準則所給出的許用應力；（2）導致10萬小時內斷裂的平均應力的67%；（3）導致10萬小時內斷裂的最小應力的80%；（4）導致最小蠕變率（0.01%/1 000 h）所用應力的100%。

4 多工況的考慮

在壓力容器的實際運行中會有不同的操作條件，所以壓力容器設計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，大多數規范設計考慮最苛刻的設計壓力和設計溫度，且二者同時發生。對于高溫蠕變設計，這種做法極其保守。因為相對于整個設計壽命，最苛刻的設計工況可能只是短時發生。

目前壓力容器規范中并不允許短時超限的設計方法，但在工藝管道規范AMSE B31.3-2017[6]中允許短時的超壓和超溫：當超壓和超溫每次持續時間小于10 h，每年累計時間不超過100 h，允許許用應力提升至33%；當超壓和超溫每次持續時間小于50 h，每年累計不超過500 h，允許許用應力提升20%。這種許用應力的提升與溫度無關，即不管高于或低于蠕變溫度，都采用相同的許用應力。低于蠕變溫度時，這樣的調整對碳鋼意味著應力可以接近最小屈服強度的90%，對不銹鋼而言，基本等于屈服強度。

處理多工況的途徑之一是采用“使用系數”準則，如Miller，ASMEIII-NH和ASMEB31.3-2017都采用了類似的規則。

5 蠕變疲勞的考慮

蠕變疲勞損傷機制是設備在高溫環境下最重要的失效模式。焊接研究委員會394公告（WRC 394[7]）給出了一種評估蠕變疲勞損傷的簡化方法。該方法需要的材料數據包括設計溫度范圍內的拉伸、蠕變斷裂、疲勞及蠕變疲勞數據。雖然是簡化方法，但實際應用還是很復雜。更復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。某些情況下，這些系數是蠕變疲勞損傷機理的決定因素[8]。由于大部分壓力容器在穩定加載工況和相對少的操作循環下運行，而且蠕變疲勞可能不是最關心的失效模式，也有可能是可以被免除的，所以常規設計中是否引入蠕變疲勞規則還是需要謹慎考慮。

根據設備的設計和運行條件，可以根據以下方面來考慮是否豁免蠕變疲勞[3]：（1）常規的升溫降溫次數不超過100次；（2）升降溫差不超過37.8℃（以進口流體溫度計）；（3）滿足一些機械設計的細節要求；（4）滿足焊接幾何和焊接檢測的要求；（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備進行比較。

同時，還需注意高溫環境因素，如材料氧化和其他與裂紋萌生有關的材料因素，對其進行逐個評估，并在選材、設計及操作過程中包含安全措施。

基于ASMEⅧ-2設計的壓力容器，如需進行蠕變及蠕變疲勞工況下的分析設計，可借助ASME規范案例2605-2[9]和ASME規范案例2843[10]來實現。ASME規范案例2605-2在ASMEⅧ-2的基礎上拓展了材料的高溫疲勞設計曲線，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計準則。ASME規范案例2843幾乎完全參照ASME III-NH中的分析方法，即通過對載荷控制的應力、應變和變形、蠕變疲勞交互作用以及屈曲等進行限制來避免結構產生因蠕變作用導致的破壞。

6 結構設計的考慮

ASME VIII-1中允許使用的結構設計在高溫下極易發生損傷或破壞。為確定這些結構是否合理，方案之一是進行詳細的應力分析。但有時一些設備是按常規設計標準進行設計的，結構是基于常規設計選用的，從高溫設計的觀點看，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力集中和高熱應力區，很多容器裂紋都發生在接管連接處。雖然ASME VIII-1中圖UW-16.1給出了很多接管開孔的結構細節，但很多在高溫下不宜采用，如非全焊透的焊接結構。高溫下禁止采用部分焊透，主要是為了減小應力集中和局部熱應力。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

對于高溫工況，容器支座連接處會承受相對高的載荷，同時也承受較大的熱梯度和應力集中。如果承受循環載荷，更容易發生疲勞開裂。厚度大于50 mm的容器會存在較大的熱應力，即便處于非循環工況，沿厚度方向也會有顯著的熱梯度。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該全焊透。

以裙座支撐為例，在高溫下，可以采用圖2的結構形式。圖2（a）中下封頭、裙座和殼體都對焊于一段環形鍛件上；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焊。這兩種結構設計不僅方便焊接和檢測，還可獲得更好的焊接質量。

圖2 高溫下適用的裙座支撐結構

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的熱箱結構來降低局部熱梯度和應力集中。對于承受循環載荷的容器（如延遲焦化塔），為了減小熱疲勞應力，提高容器的長期可靠性，需要增加一些附加的設計要求，如采用應力分析方法來優化裙座上的開槽數量、位置和大小；裙座采用對焊結構，以減小應力集中[11]。

圖3 熱箱結構

（3）中間封頭

采用常規方法設計時，中間封頭與殼體連接處經常采用圖4（a）所示結構，但角焊縫容易開裂。因此，高溫條件下，宜選用如圖4（b）所示的對焊結構，采用一個環形鍛件將中間封頭和殼體進行對焊連接，這種結構不容易開裂。

（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）不能用于高溫場合，因為這些焊縫是角焊縫，在高溫下很容易發生裂紋。如果采用接頭類型（2），為了避免局部應力集中，必須去除條狀墊板。無論在何種工況下，都要求采用全焊透結構，對于類型（1）、（2）、（3），還要求去除墊板。

圖4 中間封頭的結構設計

（5）平板轉角處的連接

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

圖5 平板轉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圈、保溫支撐圈、內部塔盤和催化劑床支撐、梯子墊板和局部加強板等。所有采用角接接頭的附件（如外壓加強圈等）應采用雙面連續焊，以減小焊縫起焊處和結束處的局部應力集中和熱梯度。所以，ASME VIII-1中圖UG-30的一些焊接形式不能用于高溫場合。對于一些重要支撐（如反應器的催化劑床），如采用角接焊縫，則應該選用全焊透的焊接方式，以降低局部應力集中和熱梯度。

管道在容器殼體上的支撐件通常會受到較大的管道載荷作用，這些支撐件與殼體的連接應采用全焊透焊縫。另外還需要根據實際載荷、溫度和應力情況，選擇局部加厚筒體或采用對焊結構。在高溫下，避免使用通過角焊縫焊于殼體上的加強板，因為此處的局部熱梯度和引起的應力將導致角焊縫的開裂。如果使用加強板，角焊縫必須是細長型的，而且要打磨光滑。

7 結語

目前一些設計人員在設計高溫設備時，通常采用常規設計方法，許用應力按高溫蠕變極限或持久強度選取，但常規設計的一些可用結構及設計方法都是基于低溫設計的經驗，因此在高溫下并不適用，且不足以保證高溫設備的安全性[12～14]。針對在高溫裂紋萌生的高應力集中處、局部熱梯度處或者焊縫熱影響區等的結構設計考慮，目的是降低高溫裂紋萌生的可能。另外，選材、材料和制造質量的控制、檢驗等在高溫設計中也不容忽視，尤其是厚壁（壁厚大于50 mm）壓力容器，需要更嚴格的設計限制、材料質量控制及檢測要求。

高溫蠕變疲勞的失效模式分析與服役條件、環境因素、失效現象、損傷機理、材料特性等相關。在壓力容器的高溫分析設計中，從高溫裂紋萌生的位置和影響因素入手，對高溫焊縫設計、許用應力的選擇、多工況的考慮、蠕變疲勞的豁免、結構設計等方面的注意事項進行了歸納和總結，可為工程設計人員提供參考，以保證高溫設備的運行安全。