超高压自增强管式反应器损伤变量描述与应用.pdf

第44卷第3期
油化
l.44No.3
2015年5月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
May 2015
文章编号:1000-7466(2015)030006-05
超高压自增强管式反应器
损伤变量描述与应用
鞠琦,刘长海
(东北石油大学,黑龙江大庆163318)
摘要:以损伤力学的观点,用损伤变量描述超高压自增强管式反应器的力学演变过程。在反应器
承载分祈时引入损伤变量和连续度的概念,结合超高压自增强管式反应器的特点,建立了反应器的
损伤本构方程。利用超高压自增强管式反应器已有材料的自増强试验数据、对损伤变量进行了描
述,确定了损伤变量函数。计算结果表明,与其它理论模型相比,损仿本构方程和损伤变量描述的
应用结果更接近于真实值、说明从损伤变量的角度来研究超高压自增强管式反应器应力状态的思
路是可行的。
关键词:管式反应器;超高压;自增强;损伤变量;损伤本构方程:应用
中图分类号:TQ052;TE966文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.30007466.2015.03.002
Description and Application of Damage Variable for Extra-
high Pressure Self-reinforced Tubular Reactor
JU Qi, LIU Chang-hai
Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)
Abstract From the perspective of damage mechanics, damage variable is used to describe the
self reinforced mechanical evolution process of extra-high pressure reaction tube. The self-rein
forced features of extra-high pressure reaction tube with the introduction of the concepts of dam-
age variable and continuity are combined to establish the self reinforced damage constitutive equa
tions of the extra-high pressure reaction tube. The self-reinforced experimental data of the extra
high pressure reaction tube is used, which was made of the material 25CR2MOV, to describe the
concept of damage variable and determine the damage variable function. The results show that
through the comparison bet ween the applications of damage constitutive equations and damage
variable and the theory of ideal elastic-plastic and bilinear hardening, the former calculation re
suits are more close to the measured values
ey words tubular reactor; extra-high pressure; self-reinforced; damage variable; damage
constitutive equation; application
近十几年来,超高压容器的工作压力越来越能力,多采用多层缩套、绕丝、绕带、套箍和自増强
高,结构型式越来越复杂。超高压容器主要为圆等模式1]。自增强容器就是在容器内施加足以
筒容器,为改善圆筒的应力状态,提高圆筒的承载使内壁发生屈服的内压,卸压后筒体内壁产生预
收稿日期:2014-11-29
基金项目:国家自然科学基金(11272084)
作者简介:椈琦(1989-),男,黑龙江哈尔滨人,在读硕士研究生,从事化工装备的疲劳损伤与可靠性研究。
第3期
辋琦,等:超高压自增强管式反应器损伤变量描述与应用
压应力即残余应力。超高压管式反应器(简称反
应管)能够承受超高压,就是对反应管筒体即单层
厚壁筒采用了自增强技术(5。自增强的目的是
使超高压容器获得自增强残余应力,从而提高容
1一D、R
器的承载极限压力。
式中,o。为反应管材料的屈服强度,MPa
在自增强压力作用下,反应管厚壁筒内壁产生
在图1所示的弹性区与损伤区交界面,考虑材
塑性变形(即产生损伤),变形从内壁向外扩展,直至料的连续性变化和圆简结构的对称性,可得损伤临
达到弹塑性界面半径为止a?。从损伤力学观点出界点(即ァ=R。处)的临界损伤压力か。表达式:
发,塑变形成的过程就是损伤产生的过程,自增强残
K.2-1
2)
余应力形成的实质是损伤累积的结果。实现反成管
3(1ーD。)K
厚壁筒自増强的理论方法已经很成熟,美国、英国、其中
K。=R。/R
德国和日本等家工业应用非常成功,但设计、制造式中,D。为临界损伤变量
成本非常高。笔者探讨用损伤变量来描述反应管的
把式(2)代人弹性理论的Iame解,得弹性区各
自增强机理I,为探索超高压自增强容器制造工向应力表达形式
艺及其理论研究提供思路。
R
3(1ーD.)
1反应管损伤本构方程
自增强反应管横切面见图1,其外半径为R。,
3(1-D)K.メ?
内半径为R。圆筒内壁在自増强压力A的作用
下不断增大,当内壁应力超过材料屈服强度时,
v3(1ー-D。)K
生的塑性变形由内向外扩展,扩展至半径R。处,
根据连续介质力学理论,把式(1)和Lame解结
在筒壁横切面上形成了一塑性区和一弹性区。考
合,代人式(2),得到损伤变量表示的筒体发生损伤
虑筒体的轴对称性,由损伤力学的原理出发,筒体
的自增强压力A:
承载状态可分为两部分,弹性区R。≤r≤R。,损伤
pA3(1-D.)~R+2nに
R
(4
区R1≤r≤R。,r=R。处为临界损伤状态。R。为基
于弹塑性理论的弹塑性界面半径,也为损伤力学
要实现反应管自增强效果,一般工艺过程中
的临界损伤半径。
是以外壁环向应变为控制量,不同的环向应变对
应着不同的自增强压力,由每一环向应变可知反
弹性区
应管自增强的损伤程度。为便于比较和满足实际
制造需要,在损伤状态下用外壁应变eo表示自增
强中径:
3eoE(1ーD。)R。
(5)
其中
E
3(1-D。)
塑性区
式中,E为弹性模量,MPa;μ为泊松比。
1.2损伤区残余应力
图1反应管横切面示图
反应管经损伤自增强压力处理后再御载,弹性
1.1损伤区与弹性区应力分析

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