高温运行设备材料损伤与剩余寿命-1 - 图文

第2部分 高温运行设备材料损伤与剩余寿命

第1章 高温运行设备材料性能要求

1.1 高温的定义

高温容器及高温管道一般以350℃为界，而高温炉管通常指500℃以上。例如GB50235-97《工业金属管道工程施工及验收规范》规定，高温（管道工作温度高于250℃）或低温（管道工作温度低于-20℃）管道的螺栓，在试运行时应按规定进行热态或冷态紧固。又如，GB150-98《钢制压力容器》附录F“钢材高温性能”中给出了钢材在400℃及以上温度10万小时的持久强度值，隐含400℃为高温环境。而GBJ235-82《工业管道工程施工及验收规范》（金属管道篇）、原中石化公司SH01005-92《工业管道维护检修规范》、原化工部HG25002-91《管道阀门维护检修规范》、原化工部95年颁发的《化工企业压力管道管理规定》和《化工企业压力管道检验规程》等规范(规程)则要求碳素钢370℃以上，合金钢及不锈钢450℃以上，压力管道的类别要提高，这说明对碳素钢370℃是高温界限，而对合金钢及不锈钢450℃才算是高温。

表2-1-1 管道热态紧固、冷态紧固温度（℃）（GB50235-97） 管道工作温度 250～350 >350 －20～－70 <－70 一次热、冷紧温度 工作温度 350 工作温度 －70 二次热、冷紧温度 －－ 工作温度 －－ 工作温度 说明：250℃和350℃对压力管道来说是两个表示高温的分界值。 1.2 高温装置举例

（1）工业领域高温装置举例见表2-1-2。

表2-1-2 高温领域举例

领 域 航天与航空 煤的转化 车 辆 石油化工 原子能工业 冶金工业 无机材料 火力发电 装置或设备举例 发动机、燃气轮机、火箭 气化、液化装置 排气阀、热发生器、增压器、烧嘴 加热炉、裂解炉、裂化、转化等装置 反应堆用（燃料棒元体定位架、包壳材料）、高温气体炉 传送带、炉子、通风机、热处理炉、导板、模具 玻璃业、玻璃纤维业、水泥、搪瓷、陶瓷 锅炉、管道、汽轮机 （2）石油炼制和石化工业中典型的高温装置

表2-1-3和表2-1-4分别为炼油装置和石化装置的高温部位举例。

表2-1-3 炼油装置中高温部位举例

装置名称 常减压蒸馏装置 催化裂化装置 催化重整 加氢精制 加氢裂化 制 氢 延迟焦化 合成氨 温度（℃） ～370 ～410 650～750 400 320～370 ～500 320～370 300～420 380～450 500 700～850 700～800 500～505 300～550 备注 常压加热炉出口进常压塔 减压加热炉出口进减压塔 正常反应时反应器内温度～500℃再生时650～750 ℃ 原料预热加热炉出口 预加氢反应温度（临氢） 重整反应温度（临氢） 后加氢反应温度（临氢） 7.85Mpa （临氢） 8～20Mpa （临氢） 废热锅炉出口 进入转化炉管时转化温度 中压蒸汽发生器转化氢制蒸汽 进入焦化塔进行焦化 10～100MPa (临氢) 表2-1-4 石油化工装置中高温部位举例

装置名称 甲醇 温度（℃） 900 240～270 360～420 甲醛 乙烯 600～700 400～600 538或670 800～863 550 515～540 聚苯乙烯 备 注 造气部分反应温度 合成部分 低压法 压力4.90MPa 临氢 合成部分 高压法 压力31.83MPa 临氢 氧化甲醇 氧化甲烷 裂解炉 对流段预热 裂解炉 辐射段裂解 废热锅炉 高温蒸汽 12.5～10.0MPa 预热器 管内430～560℃ 管外590～650℃ 反应器 管内545～580℃ 管外650～780℃

1.3 高温下对金属材料的基本要求

（1）优异的、综合的高温力学性能

优良的抗蠕变性能、高温持久强度、良好的高温疲劳性能、适当的高温塑性等 （2）在相应的工作环境中具有良好的耐高温腐蚀性能 耐高温氧化、耐高温流化、耐高温腐蚀（混合气氛） （3）足够好的冶炼加工等工艺性能 复杂形状工件成形，化学成分要求严格。 （4）适宜的经济可行性

材料寿命+材料成本+加工成本+部件可更换性+安全可靠性＝选材

第2章 金属材料的高温力学性能

2.1 高温承载金属力学行为特点

与常温承载相比，高温承载的金属力学行为具有如下特点（见图2-2-1～2-2-1）。

(a) 低碳钢 (b) 1Cr18Ni9Ti不锈钢

图2-2-1 低碳钢和1Cr18Ni9Ti不锈钢在各种温度下的拉伸曲线

图2-2-2 20号钢、15CrMo钢和 图2-2-3 20号钢、15CrMo钢和

18-8不锈钢的σb-T曲线 18-8不锈钢的σ0.2-T曲线

(1) ?s随温度升高而降低，塑性则随温度升高而增加。 (2) 力学行为及性能与载荷持续时间密切相关。

① 在高温下即使承受应力小于该温度下之屈服强度?s，随着承载时间的增加零件也产生缓慢而

连续的塑性变形，称此现象为金属的蠕变。

② 在高温下，抗拉强度?b随承载时间的增加而下降。

③ 在高温下，随承载时间的增加塑性显著下降，缺口敏感性增加，断裂往往呈脆断现象。 (3) 温度影响零件的微观断裂方式。温度较高时，材料有可能由穿晶断裂变为沿晶断裂。 (4) 随着温度的升高，环境介质对材料的腐蚀作用加剧，将影响材料的力学性能。

综上可知，温度与时间是影响金属高温力学行为的重要因素。研究金属高温力学行为必须研究温度、应力、应变和时间的关系。

图2-2-4 20号钢、15CrMo钢的δ-T曲线 图2-2-5 20号钢、15CrMo钢的ψ-T曲线

2.2 金属材料的蠕变

金属在一定温度、一定应力（即使小于?s）作用下，随着时间的增加缓慢连续产生塑性变形的现象称为蠕变。

晶粒在最易错动的晶面或晶界上发生滑移是蠕变变形的主要原因。同时，蠕变也使晶格歪曲、破碎和材料硬化，使继续滑移受到限制。因此钢材在350℃以下不发生蠕变。但在高温下金属的晶界首先发生软化，蠕变得以发生和继续，一直延续到断裂。蠕变使材料损伤主要是在晶界上先形成微小的空洞，空洞不断的变大和相互连通，并逐步形成沿晶的微裂纹，直至形成宏观裂纹，扩展后断裂。在断裂之前宏观上表现出宏观变形不断增加。

反映蠕变从开始直到最终断裂过程变化规律的曲线称为蠕变曲线，金属的蠕变过程可用蠕变曲线描述，如图2-2-6所示。图中0a是试样加载后引起的瞬时应变?0，一般为弹性应变，若外加应力大于?s，则还包括塑性应变。0a表示的是载荷引起的一般形变过程。蠕变从a点开始，依蠕变速度的变化情况，蠕变过程可分为三个阶段。

第一阶段（ab）是减速蠕变阶段。开始蠕变时速度很大，随着时间延长，?逐渐减小，到b点时达到最小值。

第二阶段（bc）是恒速蠕变阶段。?几乎保持不变，也是?最小的阶段。

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