【技术讨论】高温设备结构设计要点及措施

大直径高温换热器管板温度场分析

1. 高温对设备结构设计的影响

工作中经常会遇到高温结构的设计，在对高温结构进行设计时，应当注意高温结构对设备产生的影响。高温对设备产生的影响如下：

1. 在高温环境中，局部结构热膨胀产生的变形协调对设备的影响，结构为满足变形连续性会在产生较大的热应力（此应力为二次应力），对设备的安全运行产生较大的安全隐患；

2. 较高的热应力会使设备的抗疲劳能力下降，不利于设备长期安全、可靠的运行，对于在承受交变载荷作用下的疲劳设备需采取有效措施降低热应力；

3. 材料长期在高温条件下运行，材料的化学组织成分发生变化，晶粒大小也会发生变化，导致材料的力学和机械性能下降（如强度、硬度降低，韧性下降等）；

4. 高温会导致材料产生蠕变现象，高温蠕变同时会对设备的螺栓、法兰、垫片的密封性能产生影响，导致密封性能下降，所以对于高温设备需要采取特殊的密封结构；

5. 在高温条件下，当温度和载荷条件存在明显蠕变效应时，设计分析还应考虑材料性能和结构特性与时间的关系，以防止产生下述失效模式：

（1）短时载荷产生的延性断裂；

（2）长期载荷产生的蠕变断裂；

（3）蠕变—疲劳失效；

（4）由于增量失稳和棘轮效应产生的总体变形；

（5）由于过量变形使其丧失功能；

（6）由于短时载荷引起的屈曲；

（7）由于长时载荷引起蠕变屈曲。

2. 高温结构设计注意要点

对高温结构进行设计时，需要采取以下措施来避免上述影响的产生：        

1. 热力耦合分析时，温度场模拟要精确，最好与实际的边界条件一致，温度场结果的准确性直接影响到热应力的大小；

2. 在对高温结构进行设计时，尽量采用简单的结构，减少结构件之间的相互约束， 使连接结构刚度相匹配以减少二次热应力，这样可以最大限度降低总应力；

3. 设备的内部采用耐火材料，外部不保温，这样可以降低设备的金属壁温，进而降低设计温度，避免蠕变的产生；

4. 对高温结构可能发生的失效模式进行全面的分析：局部垮塌、棘轮、疲劳、蠕变、疲劳-蠕变交互作用、屈曲等。

3. 高温蠕变-疲劳损伤

对于高温设备，当存在蠕变-疲劳交互作用时，应考虑持续时间和应变率影响的累积蠕变和疲劳损伤。对A级、B级和C级使用载荷的组合，累积蠕变-疲劳损伤采用线性组合的方法，分别计算疲劳和蠕变的损伤，再将两者相加，计算公式如下：

式中第一项为疲劳损伤，第二项为蠕变损伤，D为允许的蠕变-疲劳总损伤。总的蠕变-疲劳损伤D应不超过下图给出的蠕变-疲劳损伤包络线。

蠕变-疲劳损伤包络线