石油机械设计计算鹄高温条件下压力容器热弹塑性蠕变分析王清明（潍坊学院）本构方程。采用有限元数值计算方法，建立了手孔封头筒体类压力容器壳体结构蠕变变形的计算模型，并进行了数值模拟试验。通过试验分析，给出容器服役时相关6个部位的位移和应力，得到服役10万h后容器筒体薄弱处的最大蠕应变为0 4013指出对严重蠕变变形部位应注意重点监控。
在冶金、石油化工、电站等许多重要部门中，高温条件下使用的压力容器或锅炉，既要承受高温作用，又要承受由于温度作用引起的热应力。在一定的条件下，容器会产生蠕变变形，一旦出现故障即可能引发重大事故，因此这些压力容器一直是高温结构系统中主要的监督对象。在运行过程中，由于外载、热膨胀和蠕变的作用，容易产生较大变形，从而导致容器的应力状态与设计时有较大差别，所以对服役容器进行应力应变分析，有助于了解容器的应力状态，对实际生产有指导意义1121.笔者在热弹塑性蠕变分析数学模型的基础上，建立压力容器的有限元模型，并对其热弹塑性蠕变问题进行了仿真分析计算。这项研究为分析、计算和控制容器或锅炉蠕变变形奠定了基础。
热弹塑性蠕变理论对处于高温条件下工作的结构，必须考虑温度对材料行为和结构响应的影响。随着温度的变化，材料常数如弹性模量、泊松比、屈服极限等均会发生变化。材料的蠕变变形可以表示为温度T应力a和时间的函数，即其表达式为以通过材料试验确定。
对于同时考虑温度变形和蠕变变形的情况，应变量可以表示为温度应变量可表示为TT瞬时温度、初始温度。
实例分析高温压力容器蠕变变形的分析方法由于容器结构基本是一个以中心线为轴的对称结构。因此，可简化为轴对称体。具体计算过程是将计算得到的温度场和受力作为边界条件加在蠕变变形分析模型上，模拟得到容器的蠕变变形。
压力容器为轴对称结构，现仅考虑容器上半部分即手孔封头筒体进行设计，有限元几何模型如所示；计算模型监测点分布如所示。法兰的螺栓力简化为1个集中力，F=82.109k.压力容器的材质为1CM1密度为7 800kg/rf正常工作温度为540 *C，设计压力为13. 5MPa工作压力12.3MPa设计寿命为10万h弹性模量、泊松比、蠕变参数及其在室温和高温下的力学性能数据参照《压力容器材料使用手册碳钢及合金钢》及《高温高压管线的设计寿命和预测技术的研究》选定，具体数据如表1计算模型监测点分布表1 10CMQ910的材料力学参数温度/V弹性GP量z泊松比屈服强度/抗拉强度/常温表2 10CM910的塑性变形数据温度/V应力/MPa塑性应变常温泊松比随温度的变化很小，可以设为定值。通过试验数据拟合，采用如下形式的蠕变公式蠕变变形时间取为10万h对该类型压力容器的蠕变变形进行有限元模拟计算，得到容器蠕变径向位移开始和结束的数据如表3所示。由表3可以看出，考虑高温蠕变的影响，10万h后在位置4处产生了较大的蠕变变形，径向变形量超过了mm最大Mise应力有所增大，同样也出现在位置4附近。
表3初始和10万h后容器部分位置蠕变变形及应力容器位置对应节点径向位移/从压力容器外表面部分位置的蠕变变形位移曲线图可以看出，蠕变变形量在10万h的时间变化符合蠕变的典型曲线，并且蠕变变形已经进入了蠕变的第2个阶段。
从和的径向位移分布云图可以看出，在初始阶段最大变形出现在位置5附近，此后蠕变逐渐产生，在10万h后，压力容器的最大径向变形为75mm出现在位置4附近区域。
1h径向位移分布云0万h径向位移分布云图由和可知，在初始阶段，还未产生蠕变效应，此时蠕应变的量级为10，在10万h后最大蠕应变为0.4013最大蠕应变出现在位置3和位置4附近。
10万h等效蠕应变分布云图根据上述分析结果，发现位置4附近的区域变形较为严重，这主要是压力容器在高内压作用下，材料力学性能随温度的升高逐渐减弱，且该处的容器壁厚较薄导致容器发生膨胀。由此可见，炉壳蠕变变形和其温度场、热应力以及炉壳材料的蠕变性能密切相关，容器所承受的热应力水平和温度的高低对其蠕变变形有显著的影响。热应力越大，温度越高，相应的蠕变变形率也就越大，炉壳的蠕变变形越严重。
通过以上分析，可以得到以下结论：分析结果表明，在内压、热膨胀及蠕变综合作用下，压力容器中部存在严重的蠕变变形，应注意重点监控。
温度升高使容器应力增大，蠕变变形加剧，因此应避免超高温情况发生。
高温压力容器蠕变变形与许多因素有关，通过建立高温压力容器蠕变模型，采用有限元法对容器设计寿命10万h内进行长时间的模拟，认为该方法可为其他类型的压力容器或锅炉的设计及监测提供分析依据。