API TR 934-F PART 4-2018
氢气对厚壁钢反应堆容器最低加压温度（MPT）的影响（第一版）

The Effects of Hydrogen for Establishing a Minimum Pressurization Temperature (MPT) for Heavy Wall Steel Reactor Vessels (FIRST EDITION)

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标准号

API TR 934-F PART 4-2018

发布

2018年

发布单位

API - American Petroleum Institute

当前最新

API TR 934-F PART 4-2018

 

 

适用范围

执行摘要 在高温高压 H2@ 稳态运行期间，氢@ 溶解在钢制压力容器的厚壁中，会导致缓慢的亚临界裂纹扩展@ 以及停机和启动期间不稳定的灾难性断裂。这种行为在第 2 节中进行了定义。因此，最低加压温度 (MPT) 和适用性 (FFS) 的现代断裂力学评估必须包括 H 对亚临界和不稳定内部氢辅助裂纹 (IHAC) 的有害影响。有两种方法正处于草案阶段，旨在制定满足这一需求的标准程序：API 934-F 推荐实践和 ASME/API 579 的 WRC 公告 562 基础。本技术报告的目的是建立必要的技术基础，以实现和实现验证这些最佳实践，以量化氢气对厚壁加氢反应器 (a) MPT@ 和 (b) FFS 的影响。该方法包括两个部分。第 1 部分强调对两个主要 H 裂纹特性的关键评估和收集：在缓慢上升的应力强度 (KIH)@ 下亚临界 H 裂纹开始的阈值应力强度和不稳定灾难性解理开始的临界应力强度H (KIC-H) 促进裂纹扩展。第 2 部分重点介绍使用这些数据定量预测 MPT 的方法，以防止停机和启动期间发生 H 裂纹。这两部分的总和——经过验证的大量 IHAC 数据和基于科学的工程分析？建立了一个单一的技术基础，可以一致地纳入 API 934-F 和 API/ASME 579 推荐的实践中来控制 H 裂纹。第 3 节记录了大量 KIH 和 KIC-H 数据，这些数据保守地描述了 2?Cr-1Mo 焊缝金属和基板中的 IHAC 特征。记录关键变量的影响；包括热暴露后的回火脆化程度 (FATTThermal)@总 H 浓度@和应力温度。 KIH 数据针对三类钢纯度进行汇总：数据库 A（低纯度/高 FATT），FATTThermal > 1。 50 ??数据库B(中间纯度/中间FATT)，≤30≤≤30。 FATT热< 50 ??数据库C（高纯度/低FATT），FATTThermal < ?30 ??定义这三种钢成分类别是为了认识回火脆化与氢裂纹@的关键相互作用，并优化来自不同实验室的现有多个 IHAC 数据集的组合。 [或者@用户可以结合数据库 B 和 C 来量化在（数据库 A）杂质化学控制之前和之后制造的 2?Cr-1Mo 钢中的 IHAC。] 亚临界 H 裂纹（第 3.2 节）在临界溶解 H 以下被消除浓度和高于临界温度@，它们通过氢捕获理论与单临界参数相关。多个样品几何形状的断裂力学实验证实了升高温度的有益效果，并为消除亚临界 H 裂纹的 MPT 定义提供了基础。断裂力学实验（第 3.3 节）清楚地表明，溶解的 H 可以降低 2?Cr-1Mo 焊缝金属和基板@的不稳定断裂韧性，从 KIC 到 KIC-H@，这与 H 对夏比冲击能和夏比 FATT 的有害影响一致。然而，之前的研究并未正确消除那些被不当解释而产生错误 KIC-H 的数据（例如，由于发生无害的弹出事件）。经过验证的 KIC-H 实验涵盖一系列无 H FATT 值，表明真正不稳定裂纹扩展的发生与 (T-FATTTThermal)@ 相关，基本上与溶解的 H 浓度无关，并显示给定温度的行为分布。消除了H促进的不稳定裂纹；也就是说，@ KIC-H 接近于等于（基板的夏比冲击 FATTTThermal + 66 ??）的临界温度以上的无 H KIC，并且高于焊缝金属的夏比冲击 FATTTThermal。（在高于 86 的绝对温度下从未观察到 H 促进的不稳定裂纹）对于基板，25 以上的焊缝金属的回火脆化水平由现有数据表示。）该分析中的特定 KIC 和 KIC-H 与温度数据在第 4 节中建模，为定量 MPT 测定提供基础. 对于高 FATT 热回火脆化钢 @ 在温度高于 50 ℃ 时特别受应力的附加数据，需要细化相关温度以消除不稳定的 H 裂纹。控制 KIC-H 温度依赖性的因素是不太理解@表明需要更好地理解 H 促进的不稳定裂纹的机制。第 3.4 节介绍了最近由 API 资助的一项研究的结果，该研究建立了与 V 改性 Cr-Mo 的 MPT 和 FFS 评估相关的以下材料性能数据钢。首先@不稳定的氢裂纹在环境温度（及以上）下不太可能发生，因为高纯度和低FATTTThermal@是现代Cr-Mo-V@的典型特征，并且夏比FATT由于相对高溶解 H 浓度。第二@ V-改性钢确实表现出非常缓慢稳定的 H 浓度 IHAC，这是这种现代钢 @ 的高 H 溶解度的典型特征，但仅在相对较高的 KIH 和低于相对较低的临界温度下。 Cr-Mo 和 Cr-Mo-V 钢在接近环境温度的中高压 H2 中受到应力时，同样非常容易产生 H 裂纹（第 3.5 节）。然而，这两种钢在 IHAC 和 HEAC 之间都没有表现出有害的相互作用。 1Cr-0.5 Mo@ 1.25C-0.5Mo@ 和 C-0.5Mo 钢@ 的 IHAC 数据有限，但结果不足以支持 MPT 或 FFS 评估。第 4 节使用第 3 节中介绍的断裂力学数据开发了 MPT 和 FFS 评估的技术基础。基于裂纹尖端 H 浓度相似性的基本概念，可以有效地模拟 H 浓度@温度@和裂纹体几何形状对 KIH 的影响：相等的 H 损伤（相等的 KIH）是由相等的局部裂纹尖端 H 浓度产生的。对于这种亚临界裂纹扩展@，Al-Rumaih 和 Gangloff (AG)@ 开发的基于 H 捕获的模型以及 Anderson 和 Brown (AB)@ 的工程模型@均使用此概念来开发主曲线，该主曲线有效地关联了2?Cr-1Mo 钢的三个数据库均拥有大量 KIH 数据（第 4.1 节）。 AG 理论模型充分证明了 AB 工程模型@的合理性，该模型为 MPT 和 FFS 评估提供了优化的工程方法，旨在最大限度地减少亚临界 IHAC。没有科学模型来描述 H 促进的不稳定裂纹。相反，用于避免停机和启动时不稳定快速断裂的 FFS 程序需要将 API 579 2 级裂纹缺陷评估与过渡区域断裂韧性的 Wallin 主曲线方法相结合（第 4.2 节）。在后一种情况下，KIC-H 与 (T-To) 主曲线的保守描述为 95% 至 99% 置信水平，使用无 H 指数温度 (ToH) 中的 50 ℃（90 ℃ 温度升高） @ 导致 ToH = FATTTThermal。此温度变化基于对第 3.3 节中收集和整理的经验证断裂韧性数据的分布的检查@，并且与基板和焊缝金属同样相关。这些数据不足以支持系统的溶解的 H 浓度对此温度变化水平的影响。夏比 FATT 中基于 H 的变化不用于开发 H 对 KIC-H 与温度的影响。对于 1 级快速断裂评估@默认压力-温度开发曲线是为了简化程序。如果 KIC-H 的主曲线描述对于使用较旧的高 FATTT 热钢制造的反应器产生不经济的高 MPT，则可以进行额外的实验来测量此类 Cr 的 KIC-H 与温度的关系- 钼钢，以证明较低的 MPT 是合理的。第 5 节列出了 MPT 测定@的拟议架构，该架构由稳定 IHAC 和不稳定快速断裂准则定义。每个标准分为三个评估级别。级别 1 构成最简单且最保守的方法@，而级别 3 是最复杂的程序并且包含最少的保守性。 FFS用户可以根据情况混合评估级别@。例如@如果MPT受到稳定IHAC标准的限制@用户可以将1级快速断裂评估与2级或3级稳定IHAC评估结合起来。

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