CN101855533A - 压力容器测试 - Google Patents
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Abstract
一种确定微通道装置的最大允许工作压力的方法，具体而言，一种在大于或等于基底材料阈限温度的温度下操作的被扩散粘结的、基于翅片的微通道装置，在该阈限温度下显著的蠕变可能占主导地位，以及当采用非传统的结构体材料时、当使用非传统的制造或连接方法时或者当仿人造物出现时。
Description
本申请要求2007年9月14日提交的申请号为11/855,999的美国专利申请的优先权，为了所有的目的，该申请以引文的形式并入本文中。
技术领域
本发明主要涉及微通道压力容器。特别地，本发明涉及最大允许工作压力确定和在较高的温度下操作的被扩散粘结的微通道热交换器和微通道热交换器/反应器组合的压力容器认证。
背景技术
压力容器认证组织例如美国机械工程师学会(ASME)建立了对锅炉和压力容器的设计、制造和检查进行安全管理的制度。其他压力容器认证组织包括通过其压力设备指令(PED)的欧盟委员会、负责协调形成日本工业标准(JIS)的标准化过程的日本工业标准委员会，然后该日本工业标准由日本标准委员会出版，以及正推行ISO16528的国际标准化组织(ISO)。例如，ASME出版的《国际锅炉和压力容器代码》为认证符合该《代码》的产品提供应当遵守的授权程序。授权包包括使用例如ASME代码符号印记，例如所谓的用于压力容器的“U”印记。为了满足该《代码》的要求，可以在已建立的公式或确定最大允许工作压力(MAWP)的流体静力学测试的基础上计算容器的强度。
在MAWP的确定中必须考虑许多因素，例如，结构体基底材料(例如，10xx碳钢、型号为316L的不锈钢及其他钢、镍合金617及其他镍合金、铝、钛、铂、铑、铜、铬、黄铜、前述材料的合金、聚合物；例如热固性树脂、陶瓷、玻璃、聚合物/纤维玻璃合成物、石英、硅或它们的组合)、制备结构体部件的方法(例如冲压、光化学蚀刻或加工、电火花加工、激光切割、钻削和磨削)、连接方法(例如焊接、铜焊接、扩散粘结、软焊接和胶粘)、容器的设计和各种横截面、不仅在正常的操作条件下而且在启动和停工的过程中容器所承受的压力和温度状况，以及是否存在仿人造物(spurious artifacts)。
然而当采用已有的方法不能很好地确定所述MAWP时，尤其是当采用非传统的结构体材料时，当期望较高的温度时，特别是当那些较高的温度可能会产生显著的蠕变时，当使用非传统的制造或连接方法时，以及，更特别地，当出现仿人造物时，必须采用其他的方法。因此当采用较高的温度时需要有一种方法以确定MAWP并且满足认证标准，特别是当蠕变可能会显著时、当使用非传统的结构体材料、非传统的部件制造和连接方法时、当与制造相关的人造物出现时、或它们的组合。
发明内容
示例性的实施例的目的是为了提供一种确定压力装置的最大允许工作压力(MAWP)的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种使压力容器满足认证要求的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种使通过非传统的制造方法制造的压力容器满足认证要求的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定包含多个通过冲压形成的翅片的微通道装置的MAWP的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种用于使通过非传统的连接方法连接的压力容器满足认证要求的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定通过扩散粘结连接的微通道装置的MAWP的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定微通道装置的MAWP的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定包含多个翅片的微通道装置的MAWP的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定微通道装置在等于或高于蠕变阈限温度下操作时的MAWP的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定微通道装置的MAWP的方法，其中被连接材料在室温下的特性不优于并且不等于所述基底材料在所述室温下的所述特性。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定微通道装置的MAWP的方法，其中被连接材料在设计温度下的特性不优于并且不等于的所述基底材料在所述设计温度下的所述特性。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种确定包含仿人造物的微通道装置的MAWP的方法，所述仿人造物对MAWP的作用是不可计算的。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种对装置进行爆裂测试的方法。
示例性的实施例的另一个目的是为了提供一种通过分别将温度和压力从第一状态增加至第二状态对装置进行爆裂测试的方法，其中所述第二状态包含大于或等于基底材料的蠕变阈限温度的温度。
示例性的实施例的进一步的目的在本发明的以下说明书和权利要求书中将更加明显。
已经公开了一种用于确定微通道压力容器、尤其是由被冲压的
(纽约州新哈特福德的特种金属公司)合金617翅片通过扩散粘结制成的微通道压力容器的最大允许工作压力(MAWP)的方法，已有的算法或认证程序可能是不适用的。另外，当操作温度偏高时，例如，诸如在等于或高于该材料的绝对熔点的一半的温度下蠕变变显著时，或者当完成的容器中可能存在与制造相关的人造物时，特殊的考虑可能是必需的。
若结构体本身的基底材料特性和算法不是公知的，考虑到不同的操作条件，包括启动、正常操作以及既有正常停工又有紧急停工，则可以先单独测试该基底材料。尽管可以对所述结构体基底材料进行测试，但实际上容器本身是采用不同的方法构造或连接在一起的。鉴于这种情况，选择的连接方法被介绍在已出版的代码材料中。因此，若所述基底材料的特性是公知或已有的，并且所述连接方法是被指定和被批准的，则可能采用已出版的算法以满足可适用的认证要求。
在大多数情况下，所述基底材料特性实际上是公知的。然而，即便是如此，当所述被连接材料的特性被公知时，被指定和被批准的认证程序可能是不适用的。在这种情况下，可能采用传统的测试方法能够获得被连接材料的特性例如拉伸强度、硬度、蠕变、疲劳寿命和疲劳强度。这种测试通常涉及制备将接受适当测试的样品。对于复杂的压力容器例如由诸如合金167通过非传统的连接方法例如扩散粘结制造的微通道装置，即使是所得到的被连接材料的特性也可能并不代表最终完成的装置，这归因于(至少是部分归因于)超出所述蠕变阈限温度的操作温度和整个制造工艺中的固有的人造物。当出现这种情况时，必须设计并执行复杂但具代表性的爆裂测试。在本发明中，这种测试包括温度、压力、增加速率和时间的变化。
然而，若目标温度(temperatures of interest)高于所述蠕变阈限温度并且所述被连接材料在低温(低于显著蠕变的范围)或高温(高于显著蠕变的范围)下的特性劣于常用的基底材料的那些特性，则指定的认证算法和指定的爆裂测试程序可能都不是令人满意的。可能要求特殊的爆裂测试程序以获得认证批准。
由容器元件(例如微通道装置的翅片或薄板)的制造引起或者由容器元件的连接(例如扩散粘结翅片以形成微通道装置)引起的人造物的存在或不存在也可能影响所述MAWP和所述认证程序。例如，这种人造物的存在可能要求颁布爆裂测试认证程序，而不是使用指定的认证算法。
如果所述制成的材料的特性比不上所述基底材料的那些特性、并且所述连接方法不被包括在已出版的认证方法中，或者，所述测试过的被连接材料的特性被认为不具代表性，则可能要求进行进一步的测试，包括例如对具代表性的装置进行真实的爆裂测试。
在一个示例性的实施例中，提供了一种用于确定包括含有基底材料的多个翅片并且所述翅片通过至少一种微通道制造工艺连接的微通道装置的MAWP的方法。在一个示例性实施例中，对所述装置的操作温度(T操作)大于或等于基底材料阈限温度(T阈限)的情况或真或假进行确定。若所述装置的操作温度大于或等于T阈限的情况是真的，则对被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述低温下的所述至少第一材料特性的情况或真或假进行确定。若所述被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述低温下的所述至少第一材料特性的情况是假的，则进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试。若所述被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述低温下的所述至少第一材料特性的情况是真的，则对被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述设计温度下的所述至少第一材料特性的情况或真或假进行确定。若所述被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述设计温度下的所述至少第一材料特性的情况是假的，则进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试。若所述被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述设计温度下的所述至少第一材料特性的情况是真的，则对至少一种仿人造物的存在的情况或真或假进行确定。若所述至少一种仿人造物的存在的情况是真的，则对至少一种仿人造物在所述设计温度下对MAWP的至少一种作用是可计算的的情况或真或假进行确定。若所述至少一种仿人造物在所述设计温度下对MAWP的至少一种作用是可计算的的情况是假的，则进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括确定所述装置的操作温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述装置的操作温度选为以下温度中的一种：正常操作温度、由随机的操作紊乱引起的最大温度、由操作变化引起的最大温度、最大启动温度和最大停工温度。
在另一个示例性的实施例中，其中所述装置包括蒸汽甲烷转化炉，所述方法进一步包括在约800℃和约1200℃之间选择所述装置的操作温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括在约800℃和约950℃之间选择所述装置的操作温度。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料为包含至少35％的镍的镍合金。
在另一个示例性的实施例中，所述镍合金包含至少60％的镍。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料为合金617。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括确定T阈限。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限选为0.5*TMP，其中TMP＝所述基底材料的绝对熔点。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限计算为在约530℃和约552℃之间。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限选为0.3*TMP，其中TMP＝所述基底材料的绝对熔点。
在另一个示例性的实施例中，其中所述基底材料为合金617，所述方法进一步包括将T阈限计算为在约209℃和约220℃之间。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限选为基底材料蠕变占主导地位时的温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限选为基底材料蠕变极限应力小于基底材料拉伸极限时的温度。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料蠕变极限应力是在约100,000个小时结束时引起断裂的最小应力的80％。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料蠕变速率极限应力为引起每1,000个小时蠕变0.01％的蠕变速率的平均应力的100％。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料极限拉伸大约是拉伸强度除以3.5。
在另一个示例性的实施例中，其中所述基底材料为合金617，所述方法进一步包括将T阈限选为在约625℃和约710℃之间。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将T阈限选为基底材料蠕变极限应力小于基底材料屈服极限时的温度。
在另一个示例性的实施例中，所述基底材料的屈服极限约为屈服应力的三分之二。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述至少第一材料特性选自由最终拉伸强度、屈服强度、屈服拉伸强度、失效时的延伸百分率或它们的组合组成的组。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述低温选为小于T阈限并且约等于室温。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述设计温度选为大于或等于所述装置的操作温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述设计温度选为以℃表示的操作温度加上约小于50℃。
在另一个示例性的实施例中，所述装置为微通道反应器并且所述至少一种具代表性的爆裂测试装置代表所述装置，涉及以下方面：通道尺寸，包括但不限于高度、宽度、长度或它们的组合；考虑到但不限于方法、时间、温度、压力或它们的组合时的制造方法，包括但不限于冲压、粘结，粘结包括但不限于扩散粘结；表面处理，包括但不限于抛光、钝化、蚀刻、清洗、涂覆、平滑、平整、起波纹或它们的组合；壁面厚度；基底材料包括但不限于合金617；肋片(rib)尺寸；热处理循环；制造过程中的供热循环；翅片厚度；对称性；尺寸比例；或它们的组合。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括确定冲压倒角(rollover)是否存在、碳化物沉淀、翅片肋片的未对齐或偏移、通道壁面的弯度、颗粒尺寸增长或它们的组合。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将冲压倒角、碳化物沉淀、翅片肋片的未对齐或偏移、翅片厚度、通道壁面的弯度或颗粒尺寸增长的尺寸与翅片尺寸进行对比。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括确定相对于翅片厚度的颗粒尺寸增长的存在。
在另一个示例性的实施例中，提供了一种用于爆裂测试具代表性的装置的方法。在一个示例性的实施例中，以基本恒定的速率将所述装置从第一状态温度加热至第二状态温度，所述第二状态温度大于或等于基底材料阈限温度并且允许所述装置达到热平衡。然后使所述装置维持在第二状态温度下，同时以基本恒定的速率从第一状态压力加压至第二状态压力。最终使所述装置在基本第二状态温度和基本第二状态压力下维持一段固定的时间。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括用预热过的气体给所述装置加压。
在另一个示例性的实施例中，所述方法包括约大于设计温度的第二状态温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法包括约大于阈限温度的第二状态压力。
在另一个示例性的实施例中，所述第二状态温度约大于30巴。
在另一个示例性的实施例中，选择所述恒定的加热速率以避免产生显著的蠕变。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加热速率在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。
在另一个示例性的实施例中，所述第二状态温度约大于900℃。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加压速率在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。
在另一个示例性的实施例中，提供了一种用于对具代表性的装置进行爆裂测试的方法。在一个示例性的实施例中，以基本恒定的速率将所述装置从第一状态压力加压至第二状态压力并且维持一段固定的时间。然后使所述装置维持在所述第二状态压力下，同时以恒定的速率从第一状态温度加热至失效。
在另一个示例性的实施例中，所述第二状态压力约大于30巴。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加压速率为在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加热速率为在每分钟约1℃和约每分钟10℃之间。
在另一个示例性的实施例中，提供了一种用于爆裂测试具代表性的装置的方法。在一个示例性的实施例中，以恒定的速率将所述装置从第一状态温度加热至第二状态温度并且允许所述装置达到热平衡。然后使所述装置维持在第二状态温度下，同时以基本恒定的速率从第一状态压力加压至过压。
在另一个示例性的实施例中，所述方法包括约设计温度的第二状态温度。
在另一个示例性的实施例中，所述方法包括约大于阈限温度的设计温度。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加热速率在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。
在另一个示例性的实施例中，所述第二状态温度约大于900℃。
在另一个示例性的实施例中，所述恒定的加压速率在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。
在另一个示例性的实施例中，所述方法进一步包括将所述具代表性的爆裂测试装置加压至失效。
在另一个示例性的实施例中，提供了一种用于确定在大于或等于基底材料阈限温度(T阈限)的温度下操作的微通道装置的MAWP的方法。在该示例性的实施例中，所述微通道装置包括多个翅片，所述翅片包括基底材料并且所述翅片通过至少一种微通道制造工艺连接。所述方法包括确定被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述低温下的所述至少第一材料特性的第一情况或真或假；当所述第一情况是假的时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度；当所述第一情况是真的时，确定所述被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性优于或等于基底材料的样品在所述设计温度下的所述至少第一材料特性的第二情况或真或假；当所述第二情况是假的时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度；当所述第二情况时，确定至少一种仿人造物是否存在的第三情况或真或假；当所述第三情况时，确定在所述设计温度下所述至少一种仿人造物对MAWP的至少一种作用是可计算的第四情况或真或假；并且当所述第四情况是假的时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度。
附图说明
图1是示例性的微通道装置的分解的轴测投影立体视图。
图2是图1中示出的所述示例性的微通道装置的轴测投影立体视图。
图3a是所述示例性的微通道装置沿图2中的3-3线的横截面的轴测投影立体视图。
图3b是所述图3a的横截面的主视图。
图4a是所述示例性的微通道装置沿图2中的4-4线的横截面的轴测投影立体视图。
图4b是所述图4a的切掉一部分的横截面的主视图。
图5a是所述示例性的微通道装置沿图2中的5-5线的横截面的轴测投影立体视图。
图5b是所述图5a的切掉一部分的横截面的主视图。
图6是基底材料测试样品的示意图。
图7是制成的材料测试样品的示意图。
图8是如图7中的所述制成的材料测试样品的由8指示的部分的横截面的放大图并且示出了颗粒人造物。
图9是示例性的微通道装置的一部分的横截面的放大图并且示出了肋片错位人造物。
图10是示例性的微通道装置的一部分的横截面的放大图并且示出了“倒角”人造物。
图11是表示本发明的包含蠕变考虑因素的示例性的实施例的流程图。
图12是表示本发明的包含在恒定的温度和压力下进行爆裂测试的示例性的实施例的流程图。
图13是表示本发明的包含在恒定的压力和增加的温度下进行爆裂测试的示例性的实施例的流程图。
图14是表示本发明的包含在恒定的温度和增加的压力下进行爆裂测试的示例性的实施例的流程图。
图15是表示示例性的基底材料(合金617)的应力对温度的不同测量值的曲线图。
图16是表示保持恒定的温度和压力下的示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图17是表示保持恒定的温度和压力下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图18是表示保持恒定的温度和压力下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图19是表示在恒定的压力和增加的温度下的一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图20是表示在恒定的压力和增加的温度下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图21是表示在恒定的压力和增加的温度下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图22是表示在恒定的温度和增加的压力下的一个示例性的爆裂测试结果的图。
图23是表示在恒定的温度和增加的压力下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
图24是表示在恒定的温度和增加的压力下的另一个示例性的爆裂测试结果的曲线图。
在描述示于附图中的本发明的优选实施例时，为了清楚的目的，将采用具体的术语。但是，本发明并不局限于如此选择的具体的术语，并且应被理解的是，每个具体的术语包括为达到相似的目的以类似的方式操作的所有技术等同物。
具体实施方式
示例性的微通道装置10示于图1-5b中。首先参考图1，所述示例性的微通道装置10示于分解的轴测投影立体视图中。所述微通道装置10包括多个翅片(例如12、14、16)，这些翅片配合形成所述微通道装置10的多个不同特征。翅片通常为能够具有任意的宽度和长度的基本平面的薄板或薄片，并且优选具有数毫米(mm)或更小并且在一些优选实施例中在50和1000微米(1mm)之间的厚度(最小尺寸)。所述微通道装置10包括第一末端翅片12，该翅片为定模板(solid plate)、部分封闭和限定所述微通道装置10。接着是具有第一集管(manifold)槽30的第一集管翅片14。接着是具有多根第一肋片33的一个或多个第一通道翅片16，其中第一肋片33至少部分限定了多个第一通道槽32。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个第一通道翅片16以至少部分限定多个第一通道132(例如图3a-5b)的尺寸。所述第一集管槽30的尺寸可以至少部分限定第一集管130(例如图2-3b、5a和5b)的尺寸。也如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个所述第一集管翅片14以至少部分限定所述第一集管130的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，例如，所述第一集管130可以使进入所述微通道装置10的流体分布于第一通道132。接着是具有第二集管槽34的第二集管翅片18，并且所述第二集管槽34的尺寸至少部分限定了第二集管134(例如图2-3b、5a和5b)的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个第二集管翅片18以至少部分限定所述第二集管134的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，例如，所述第二集管134可以使从第一通道132离开微通道装置10的流体汇集在一起。接着是具有第三集管槽36的第三集管翅片22，并且所述第三集管槽36的尺寸至少部分限定了第三集管136(例如图2-3b、5a和5b)的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个第三集管翅片22以至少部分限定所述第三集管136的尺寸。接着是一个或多个具有多根第二肋片39的第二通道翅片24，其中第二肋片39至少部分限定多个第二通道槽38。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个第二通道翅片24以至少部分限定多个第二通道138(例如图3a-5b)的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，所述第三集管136可以，例如，使流体从第二通道138流出。接着是具有第四集管槽40的第四集管翅片26，并且所述第四集管槽40的尺寸至少部分限定了第四集管140(例如图5a和5b)的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，可以提供多个第四集管翅片26以至少部分限定所述第四集管140的尺寸。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，例如，所述第四集管140可以使流体分布于第二通道138。最后是部分封闭并且进一步限定所述微通道装置10的第二末端翅片28。
所述微通道装置10可以是反应器和热交换器的组合。所述微通道装置10可以被设计成或被操作以进行一个或多个化工单元操作，包括混合、化学反应、加热、冷却、热交换、蒸发、冷凝、蒸馏、吸收、吸附或溶剂交换。所述翅片(例如12、14、16)包括基底材料，该基底材料可以包含为了允许操作提供足够强度、尺寸稳定性和热交换特征的任意材料。这些材料包括钢、不锈钢(例如304、316)、铝、钛、镍、铂、铑、铜、铬、黄铜、前述任意种材料的合金(例如Inconel
(特种金属公司)，Haynes HR-
(哈氏合金国际公司，印第安那州关岛)，Haynes HR-
(哈氏合金国际公司)，
(哈氏合金国际公司)，
(特种金属公司)，或氧化性的扩散增强合金)，聚合物(例如热固性树脂)、陶瓷、玻璃、包含一种或多种聚合物(例如热固性树脂)的合成物和纤维玻璃、石英、硅或它们中的两种或更多种的组合。这些材料可以通过轧制、铸造、锻造或挤出的方式提供。所述微通道装置10的部件可以采用公知技术制造，包括线切割电火花加工(wireelectrodischarge machining)、传统加工、激光切割、光化学加工、电化学加工、模制、水喷射、冲压、蚀刻(例如化学、光化学或等离子蚀刻)以及它们的组合等。翅片束(例如12、14、16)可以通过扩散粘结、激光焊接、扩散铜焊以及类似的方法连接以形成整体装置。
如那些相关领域的技术人员所理解的那样，极其复杂但是包含本文中所描述的基本特征的各种实际不受限制的微通道装置是可能的。
参考图11，示出了一种特别用于微通道装置的确定压力容器的MAWP的方法。当进入节点200时，对有关操作温度(T操作)是否大于或等于阈限温度(T阈限)进行确定。T操作是所述装置在那些目标操作(operations of interest)过程中运行时的温度，并且该温度表示MAWP必须被确定的条件。例如，T操作通常可选为所述装置在正常、持续的操作下的正常操作温度。其他考虑因素包括，例如在正常的启动或停工时预期的最大温度。另外，可以考虑从随机的操作紊乱或正常操作变化中预期的最大温度。作为一种选择，T操作可选为上述温度中最大的温度。例如，如果所述压力容器为微通道装置并且所述微通道装置包括蒸汽甲烷转化炉。T操作可选自约800℃至约1200℃。另外，T操作可选自约800℃至约950℃。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，T操作会发生变化但在所考虑的工艺中是容易且明显可以确定的。T阈限通常可选为在所述基底材料蠕变特性将基于这种基底材料特性的允许应力限定为拉伸应力或屈服应力时的最低温度。T阈限可通过对考虑到工程安全因素而设定的允许应力的不同极限进行比较选取。例如一种极限可以是所述基底材料的绝对熔点温度的一半。例如，当所述基底材料为合金617时，所述基底材料熔点可略微变化(大约1333℃至约1377℃)。采用这种标准T阈限可能落入约530℃和约552℃之间。替换地，例如T阈限可选为基底材料的绝对熔点温度的0.3倍。因此，对于合金617基底材料而言，T阈限落入约209℃和约222℃之间。例如T阈限可以被选为在基底材料蠕变极限应力变得小于基底材料拉伸极限应力或基底材料屈服极限应力时的温度。例如所述极限可基于满足下述标准中的一个的最低温度：(a)在约100,000个小时结束时引起断裂的最小应力的80％的基底材料蠕变极限应力；(b)是引起约每1,000个小时0.01％的蠕变速率的平均应力的约100％的基底材料蠕变速率极限应力，或(c)约拉伸强度除以3.5的基底材料拉伸极限。例如参考图15，合金617基底材料示出了约625℃和约710℃之间的T阈限。例如T阈限可以被选为在基底材料蠕变极限应力小于基底材料屈服极限时的温度。例如，当所述基底材料屈服极限是屈服极限应力的三分之二时。例如参考图15，合金617基底材料示出了约625℃的T阈限。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，所述基底材料可以包括例如含有至少35％的镍或至少60％的镍的镍合金。
参考图11、节点202，若T操作不大于并且不等于T阈限(节点200是假的)，则将设计温度下被连接材料的至少一种材料特性(JMP设计)与设计温度下所述基底材料的至少一种材料特性(BMP设计)进行对比。典型的基底材料测试样品50示于图6中，同时典型的被连接材料测试样品52示于图7中。作为一个实例，图7中进一步示出了与扩散粘结剂58连接在一起的具代表性的翅片56。在实际应用中，多个包含基底材料的具代表性的翅片56粘结在一起并且制成测试样品52。材料特性可以包括但不限于最终的拉伸强度、屈服强度、屈服拉伸强度、失效时的延伸百分率、蠕变速率、蠕变断裂、裂纹蔓延速率或它们的组合。选择设计温度(T设计)时考虑装置及其运行中的安全因素和未知因素。例如T设计总是大于或等于T操作，并且可以选为T操作加上例如50℃。若节点202表示的鉴定没有产生优于或等于BMP设计的JMP设计(节点202是假的)，则通过压力容器认证组织(例如ASME)指定的传统爆裂测试将很好地确定MAWP(节点208)。
若图11的节点202确定为真(JMP设计优于或等于BMP设计)，则确定仿人造物是否存在(节点204)。这类仿人造物是那些通常是可以在生产和制造所述装置的过程中产生的不可避免的元件。参考图8，例如，它们包括位于通过扩散粘结连接的基于翅片的微通道装置。进一步可能存在颗粒增长(未示出)，例如当颗粒尺寸增长到或接近于翅片厚度时。
参考图9，四个具代表性的翅片70、72、74、76粘结在一起。所述翅片中的两个72、74的具代表性的肋片73、75未对齐，产生肋片73、75的错位78、80。这类错位78、80可能产生附加应力集中点，同时引起粘接面积被减少和通道82、84的尺寸变化。
参考图10，以具代表性的方式，顶部翅片186、中间翅片190和底部翅片194夹着第一翅片部分或肋片188和第二翅片部分192。由此形成两个通道92、292。如图10中所示，出现了缺口或倒角人造物94、96和弯曲部分296。例如冲压倒角人造物可能在冲压的过程中制得并且可能促使应力集中点94、96。生产过程中的应力进一步可能促成因倒角人造物而加剧的弯度人造物296。
实际上，确定人造物是否为仿造的依赖于，例如，将所述冲压人造物94、96、金属碳化物沉淀60、翅片肋片(图9)的未对齐或偏移、翅片厚度(未示出)、通道壁面的弯度(图10)、可比较的通道间或层间的压降的尺寸或颗粒尺寸(未示出)与通道尺寸或翅片厚度进行对比。
再参考图11，若节点204表示的鉴定是真的，则由压力容器认证组织(例如ASME)指定的常规爆裂测试将很好地确定MAWP(节点208)。若节点204表示的鉴定是假的，则由压力认证组织(例如ASME)颁布的算法将很好地确定MAWP(节点206)。
若节点200处确定产生的结果是真的(T操作大于或等于T阈限)，则进入节点210并且对被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性(JMP低)优于或等于基底材料的样品在所述低温下的所述至少第一材料特性(BMP低)的情况或真或假进行确定。材料特性可以包括但不限于最终的拉伸强度、屈服强度、屈服拉伸强度、失效时的延伸百分率、蠕变速率、蠕变断裂、裂纹蔓延速率或它们的组合。所述低温可以选为低于T阈限并且通常选为约室温或在约20℃和约23℃之间。
若节点210处确定是假的(JMP低不优于并且不等于BMP低)，则在具代表性的爆裂测试装置上进行至少一种爆裂测试(节点214)。这类测试包括分别将所述具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于T阈限的温度。
若节点210处确定是真的(JMP低优于或等于BMP低)，则进入节点212并且对JMP设计是否优于或等于BMP设计进行确定。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，节点212包括与节点202相同的确定并且适用上述说明。若节点212处确定是假的(JMP设计不优于并且不等于BMP设计)，则在具代表性的爆裂测试装置上进行至少一种爆裂测试。这种测试包括分别将所述具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于T阈限的温度。
若节点212处确定是真的(JMP设计优于或等于BMP设计)，则进入节点216，并且对有关仿人造物的存在或不存在进行确定。如那些相关领域的技术人员所理解的那样，节点216包括与节点204相同的确定并且适用上述说明。
若节点216处确定是假的(无仿人造物)，则由压力认证组织(例如ASME)颁布的算法将很好地确定MAWP(节点206)。
若节点216处确定是真的(存在仿人造物)，则进入节点218并且对仿人造物在T设计下的作用是否为可计算的进行确定。如果是，则进入节点208并且进行早先描述的爆裂测试。人造物的作用可能不是可计算的，例如，依赖于冲压倒角、碳化物沉淀、翅片肋片的不对齐或错位、翅片厚度、通道壁面的弯度的尺寸或相对于翅片厚度的颗粒尺寸增长。
若节点218处确定是假的(仿人造物在T设计下的作用不可计算)，则进入节点214并且在具代表性的爆裂测试装置上进行至少一种爆裂测试。这类测试包括分别将所述具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于T阈限的温度。
如上所述，微通道装置可能是极其复杂的。但是所述具代表性的爆裂测试装置必须代表所述装置，涉及以下方面：通道尺寸，包括但不限于高度、宽度、长度或它们的组合；制造方法，包括但不限于冲压、粘结(包括但不限于扩散粘结)，考虑但不限于方法、时间、温度、压力或它们的组合；表面处理，包括但不限于抛光、钝化、蚀刻、清洗、涂覆、平滑、平整、起波纹或它们的组合；壁面厚度；基底材料，包括但不限于合金617；肋片尺寸；热处理循环；制造过程中的供热循环；翅片厚度；均匀性；尺寸比例；或它们的组合。
参考图11，节点214包括针对至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于T阈限的温度。
参考图12和图16-18，示出了当图11中所示的情况如上所述地适用时、一种用于对具代表性的爆裂测试装置进行爆裂测试的方法。所述方法首先包括以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至第二状态温度，所述第二状态温度大于或等于T阈限，并且允许通过将上述装置基本在所述第二状态温度下维持一段固定的时间使所述装置达到热平衡。接着，将所述装置维持在所述第二状态温度下，同时以基本恒定的速率从第一状态压力加压至第二状态压力并且维持一段固定的时间。如图16-17中以实例方式所示，蠕变最终导致所述装置失效。对所述装置加压的步骤包括向所述具代表性的爆裂测试装置中引入加压气体。可替换地，所述加压气体可以在引入所述装置前预热。所述第二状态压力可以约大于30巴。所述恒定的加压速率可以选为在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。所述恒定的加压速率可能低于压力波(pressure shock)极限，即，压力的增加不会加剧接受测试的材料的冲击载荷。所述第二状态温度可以约大于900℃。选择所述恒定的加热速率以避免显著的蠕变。所述恒定的加热速率可以选为在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。
参考图13和19-21，示出了当图11中所示的情况如上所述地适用时、另一种用于对具代表性的爆裂测试装置进行爆裂测试的方法。所述方法首先包括以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至第二状态压力、并且使所述装置基本在第二状态压力下维持一段固定的时间。接着，在所述装置基本维持在第二状态压力的过程中，以恒定的速率将所述装置从第一状态温度加热至失效。所述第二状态压力可以约大于30巴。所述恒定的加压速率可以选为在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。所述恒定加压的速率可以低于压力波极限。选择恒定的升温速率以避免显著的蠕变。所述恒定的升温速率可以选为在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。
参考图14和22-24，示出了当图11中所示的情况如上所述地适用时、另一种用于爆裂测试具代表性的爆裂测试装置的方法。所述方法首先包括以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至第二状态温度、并且使所述装置达到热平衡。接着，在使所述装置维持在所述第二状态温度的过程中，以基本恒定的速率将所述装置从第一状态压力加压至第二状态压力。所述第二状态温度可以选为约为T设计并且可以约大于T阈限。选择所述恒定的加热速率以避免显著的蠕变。所述恒定的加热速率可以选为在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。所述第二状态温度可以约大于900℃。选择所述恒定的加压速率以避免压力波极限。所述加压恒定速率可以选为在每分钟约1巴和每分钟约10巴之间。对所述装置的加压步骤可进一步包括将所述装置加压至失效。
这种结合附图的详细描述原则上是试图作为本发明的优选实施例的描述，但并不表示这是构建或应用本发明的唯一形式。本说明书结合所描述的实施例提供了实施本发明的设计、功能、手段和方法。然而，可以被理解的是，通过被涵盖在本发明的主旨和范围内的不同实施例可以获得相同或相等的功能和特点，并且可以采取如此种种的变化形式而不偏离本发明或者本发明权利要求书的保护范围。
Claims (21)
1.一种确定微通道装置的最大允许工作压力(MAWP)的方法，所述微通道装置包括多个翅片，所述翅片包括基底材料并且所述翅片通过至少一种微通道制造工艺连接，所述方法包括：
(a)对被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性进行测试；
(b)当所述被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性劣于所述基底材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种燃烧测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于基底材料阈限温度的温度；
(c)当所述被连接材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性等于或优于所述基底材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性时，对被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性进行测试；
(d)当所述被连接材料的样品的在所述设计温度下的至少第一材料特性劣于所述基底材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度；
(e)当所述被连接的材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性等于或优于所述基底材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性时，检查具代表性的微通道装置是否存在仿人造物；以及
(f)当所述具代表性的微通道装置中存在至少一种仿人造物时，并且当所述至少一种仿人造物的作用不可计算时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述微通道装置是微通道反应器，并且所述至少一种具代表性的爆裂测试装置代表所述微通道装置，涉及以下方面：通道尺寸，所述通道尺寸包括但不限于高度、宽度、长度或它们的组合；考虑到但不限于方法、时间、温度、压力时的制造方法，所述制造方法包括但不限于冲压、粘结或它们的组合，所述粘结包括但不限于扩散粘结；表面处理，所述表面处理包括但不限于抛光、钝化、蚀刻、清洗、涂覆、平滑、平整、起波纹或它们的组合；壁面厚度；基底材料，所述基底材料包括但不限于合金617；肋片尺寸；热处理循环；生产过程中的供热循环；翅片厚度；对称性；尺寸比例；或它们的组合。
3.根据权利要求1或2所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括有序步骤：
(A)以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至第二状态温度；
(B)使所述具代表性的爆裂测试装置维持在所述第二状态温度下，同时以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至第二状态压力；以及
(C)使所述具代表性的爆裂测试装置在基本所述第二状态温度和基本所述第二状态压力下维持一段固定的时间。
4.根据权利要求1或2所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括有序步骤：
(A)以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至第二状态温度；以及
(B)使所述具代表性的爆裂测试装置维持在所述第二状态温度下，同时以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至过压。
5.根据权利要求1或2所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括有序步骤：
(A)以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至第二状态压力；以及
(B)使所述具代表性的爆裂测试装置维持在所述第二状态压力下，同时以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至失效。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括以在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间的基本恒定的速率加压。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括以在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间的基本恒定的速率升温。
8.根据权利要求1、2或4所述的方法，步骤(b)的所述爆裂测试、步骤(d)的所述爆裂测试，以及步骤(f)的所述爆裂测试进一步包括将所述具代表性的爆裂测试装置加压至失效。
9.根据权利要求1或2所述的方法，步骤(e)进一步包括确定是否存在冲压倒角、碳化物沉淀、翅片肋片的未对齐或偏移、通道壁面的弯度、颗粒尺寸增长或它们的组合。
10.根据权利要求9所述的方法，步骤(e)进一步包括将冲压倒角的尺寸、碳化物沉淀、翅片肋片的未对齐或偏移、翅片厚度、通道壁面的弯度或颗粒尺寸增长与翅片尺寸进行对比。
11.根据权利要求9所述的方法，步骤(e)进一步包括确定是否存在相对于翅片厚度的颗粒尺寸增长。
12.一种用于爆裂测试具代表性的爆裂测试装置的方法，所述方法包括有序步骤：
(a)以基本恒定的速率将所述装置从第一状态温度加热至第二状态温度，所述第二状态温度大于或等于基底材料阈限温度；
(b)使所述装置维持在第二状态温度下，同时以基本恒定的速率将所述装置从第一状态压力加压至第二状态压力；以及
(c)使所述装置在基本所述第二状态温度和基本所述第二状态压力下维持一段固定的时间。
13.一种用于爆裂测试具代表性的爆裂测试装置的方法，所述方法包括有序步骤：
(a)以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至第二状态压力；以及
(b)使所述具代表性的爆裂测试装置维持在基本所述第二状态压力下，同时以基本恒定的速率将具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至失效。
14.根据权利要求5或13所述的方法，其进一步包括在将所述具代表性的爆裂测试装置加压至所述第二状态压力之后，使具代表性的爆裂测试装置在基本所述第二状态压力下维持一段固定的时间。
15.一种用于爆裂测试具代表性的爆裂测试装置的方法，所述方法包括有序的步骤：
(a)以基本恒定的速率将所述装置从第一状态温度加热至第二状态温度；以及
(c)使所述具代表性的爆裂测试装置维持在基本所述第二状态温度下，同时以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态压力加压至过压。
16.根据权利要求12和15中任一项所述的方法，其中所述第二状态温度约大于设计温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述设计温度约大于阈限温度。
18.根据权利要求3、4、12或15所述的方法，其进一步包括在以基本恒定的速率将所述具代表性的爆裂测试装置从第一状态温度加热至第二状态温度之后，允许所述爆裂测试装置达到热平衡。
19.根据权利要求12、13和15中任一项所述的方法，其中所述恒定的加热速率在约每分钟1℃和约每分钟10℃之间。
20.根据权利要求12、13和15中任一项所述的方法，其中所述恒定的加压速率在约每分钟1巴和约每分钟10巴之间。
21.一种确定微通道装置在大于或等于基底材料阈限温度(T阈限)的温度下操作时的最大允许工作压力(MAWP)的方法，所述微通道装置包括多个翅片，所述翅片包括基底材料，并且所述翅片通过至少一种微通道制造工艺连接，所述方法包括：
(a)对被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性进行测试；
(b)当所述被连接材料的样品在低温下的至少第一材料特性劣于所述基底材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度；
(c)当所述被连接材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性等于或优于所述基底材料的样品在所述低温下的至少第一材料特性时，对被连接材料的样品在设计温度下的至少第一材料特性进行测试；
(d)当所述被连接材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性劣于所述基底材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度；
(e)当所述被连接材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性等于或优于所述基底材料的样品在所述设计温度下的至少第一材料特性时，检查具代表性的微通道装置是否存在至少一种仿人造物；以及
(f)当所述具代表性的微通道装置中存在至少一种仿人造物时，以及当所述至少一种仿人造物的作用不可计算时，进行至少一种具代表性的爆裂测试装置的至少一种爆裂测试，所述爆裂测试包括分别将所述至少一种具代表性的爆裂测试装置的温度和压力从第一状态增加至第二状态，所述第二状态包含大于或等于所述基底材料阈限温度的温度。
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