陳小寧，周吉軍

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 8 3 0 0 1 1）

奧氏體不銹鋼壓力容器的應(yīng)變強(qiáng)化承載能力研究

陳小寧，周吉軍

（新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 8 3 0 0 1 1）

在壓力容器發(fā)展過程中，一個(gè)重要的課題為如何使輕型化設(shè)計(jì)中并重安全與經(jīng)濟(jì)。隨著美國及歐盟制定的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中納入彈塑性分析設(shè)計(jì)方法，奧氏體不銹鋼壓力容器在開展輕型化設(shè)計(jì)時(shí)，逐漸應(yīng)用于彈塑性分析設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，發(fā)展前景十分廣闊。利用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)奧氏體不銹鋼壓力容器后，屈服強(qiáng)度可顯著提升，壁厚及壓力容器的重量降低，有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。本文重點(diǎn)分析了基于應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)的奧氏體不銹鋼壓力容器的承載能力。

奧氏體不銹鋼；壓力容器；應(yīng)變強(qiáng)化；承載能力

壓力容器主要的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槭托袠I(yè)、核電行業(yè)、低溫工程等，近年來，隨著這些領(lǐng)域的良好發(fā)展，也提升了對壓力容器的需求。制造低溫容器時(shí)，采用的主要原料為奧氏體不銹鋼，此種材料的低溫沖擊韌性良好，屬于較為理想的制造材料，但在設(shè)計(jì)低溫容器過程中，由于此種材料并不具備高的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致壓力容器具有比較大的壁厚及安全裕度，一定程度上提升了制造成本。采用輕型化設(shè)計(jì)方法后，有效的解決了這一存在的問題，并提升了壓力容器的承載能力，本文即對其承載能力進(jìn)行研究。

1 壓力容器內(nèi)壓塑性失穩(wěn)壓力與安全裕度

與常規(guī)設(shè)計(jì)方法相比，壓力容器應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，可顯著減小壁厚，但經(jīng)強(qiáng)化后，容器結(jié)構(gòu)塑性較為明顯的發(fā)生變形，一定程度上降低了材料的塑性儲備，而且也不能完全明確壓力容器的實(shí)際承載能力、安全裕度與使用要求是否滿足。以往研究壓力容器實(shí)際承載能力、塑性失穩(wěn)壓力、安全裕度的方法均存在一定的不足，本文結(jié)合彈塑性分析方法及有限元模擬方法，分析圓筒塑性失穩(wěn)壓力受到圓筒長度及壁厚的影響，并分析球殼塑性失穩(wěn)壓力受到壁厚的影響，之后求解出安全裕度。

1.1 有限元模型

奧氏體不銹鋼材料在壁厚容器建造中比較少用，本文中以薄壁容器為模型，建立有限元模型。圓筒有限元模型共建立1 2個(gè)，容器內(nèi)徑均為5 0 0 mm，其中6個(gè)模型的長度與內(nèi)徑比為1～6 mm，另外6個(gè)長度與內(nèi)徑比均為4 mm，但徑比由1.0 2～1.2 mm。球殼有限元模型建立6個(gè)，容器內(nèi)徑均為5 0 0 mm，徑比由1.0 2～1.2 mm。計(jì)算時(shí)，為了將計(jì)算量減少，建立圓筒及球殼模對稱模型時(shí)，分別采用長度方向1/2結(jié)構(gòu)及整體1/4結(jié)構(gòu)。

1.2 計(jì)算塑性失穩(wěn)壓力

第一，分析圓筒內(nèi)壓塑性失穩(wěn)壓力受到筒體長度的影響。該分析以長度與內(nèi)徑比為1～6 mm的6個(gè)圓筒有限元模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，筒體長度增加過程中，有限元解逐漸降低，即逐漸減小塑性失穩(wěn)壓力，這說明減弱了封頭的強(qiáng)化作用，筒體長度與內(nèi)徑比達(dá)到3 mm后，即使數(shù)值再提升，塑性失穩(wěn)壓力也不會繼續(xù)降低，此時(shí)，即可忽略封頭的強(qiáng)化作用產(chǎn)生的變化。第二，分析圓筒內(nèi)壓塑性失穩(wěn)壓力受到筒體厚度的影響。由分析結(jié)果可知，徑比比值不斷提升時(shí)，有限元模型解也逐漸提高，即提高塑性失穩(wěn)壓力，二者呈正相關(guān)。第三，分析球殼內(nèi)壓塑性失穩(wěn)壓力受到殼體厚度的影響。通過前文建立的6個(gè)球殼有限元模型，經(jīng)計(jì)算及分析可知，隨著徑比的增加，有限元解逐漸增大，即球殼厚度提升過程中，塑性失穩(wěn)壓力也不斷的增大。

1.3 預(yù)應(yīng)變下計(jì)算安全裕度

通常，表示壓力容器安全裕度時(shí)采用的方式為爆破壓力與設(shè)計(jì)壓力之間的比值，但在利用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)的壓力容器中，塑性失穩(wěn)壓力近似于爆破壓力，而設(shè)計(jì)壓力則包含兩種，一種產(chǎn)生于強(qiáng)化處理時(shí)，為預(yù)應(yīng)變下的強(qiáng)化壓力，另一種產(chǎn)生于實(shí)際使用時(shí)，為設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)壓力與強(qiáng)化壓力為兩個(gè)不同的概念，設(shè)計(jì)壓力所反映的安全裕度為壓力容器使用過程中的，而強(qiáng)化壓力反映的安全裕度為強(qiáng)化處理過程中的。獲取強(qiáng)化壓力時(shí)，方法類似于塑性失穩(wěn)壓力，進(jìn)入有限元時(shí)間后處理器后，找出彈性應(yīng)變值、塑性應(yīng)變值，利用加法器相加這兩個(gè)數(shù)值后，得到的數(shù)值即為此應(yīng)變量下的強(qiáng)化壓力。

2 考慮材料延伸斷裂的壓力容器局部破壞研究

對于壓力容器來說，其實(shí)際承載能力會受到局部破壞壓力的嚴(yán)重影響，因此，在研究奧氏體不銹鋼壓力容器的承載能力時(shí)，還需要研究局部破壞壓力，本文研究壓力容器局部破壞時(shí)，以材料延伸斷裂作為考慮因素之一。

2.1 延性斷裂實(shí)驗(yàn)試樣

目前，材料延性斷裂研究中，用于表征應(yīng)力狀態(tài)的參數(shù)為應(yīng)力三軸度系數(shù)，為多數(shù)學(xué)者認(rèn)可，具有較高的合理性。以應(yīng)力三軸度系數(shù)、斷裂應(yīng)變?yōu)樽兞浚瑯?gòu)建二者關(guān)系模型時(shí)，廣泛使用的試樣為缺口圓棒拉伸試樣，原因?yàn)樵撛嚇泳哂斜容^簡單的模型，實(shí)驗(yàn)參數(shù)比較容易測量，而且如果應(yīng)力三軸度系數(shù)想獲取不同數(shù)值時(shí)，對缺口半徑尺寸做出改變即可。

2.2 試樣尺寸及拉伸性能

本文中，以3 0 4奧氏體不銹鋼作為試樣材料，加工之后，測定每個(gè)樣條的原始尺寸，并檢測其拉伸性能。利用B r i d g ma n模型試樣作為缺口圓棒試樣，缺口半徑0.2 5～3.0 mm，共7個(gè)，同時(shí)，選擇2個(gè)無缺口的圓棒試樣，直徑分別為9 mm和1 0 mm，加工時(shí)，每個(gè)半徑或直徑的圓棒各2個(gè)。

2.3 延性斷裂試驗(yàn)

開展缺口圓棒拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用C MT 5 1 0 5萬能試驗(yàn)機(jī)，控制位移，靜態(tài)加載過程中，加載速度控制在0.3 mm/mi n，采取標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如實(shí)、準(zhǔn)確的記錄。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文還進(jìn)行了有限元分析，并對比這兩種分析結(jié)果。由分析結(jié)果可知，缺口圓棒半徑為0.2 5～2.0 mm時(shí)，延性斷裂破壞為試樣材料的失效模式，缺口圓棒半徑為2.5 mm、3.0 mm時(shí)，塑性失穩(wěn)破壞為試樣材料的失效模式。

2.4 應(yīng)力三軸度系數(shù)與斷裂應(yīng)變的關(guān)系

在分析奧氏體不銹鋼材料的這兩種參數(shù)之間的關(guān)系時(shí)，通過相應(yīng)的公式及測量參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算后得出結(jié)果，由結(jié)果可知，隨著缺口圓棒試樣的缺口半徑的增加，應(yīng)力三軸度系數(shù)不斷的減小，而斷裂應(yīng)變值則逐漸的變大。

3 奧氏體不銹鋼壓力容器承載能力分析

實(shí)際上，奧氏體不銹鋼壓力容器的結(jié)構(gòu)并非只是簡單的由筒體及封頭構(gòu)成，密封裝置、開孔接管、安全附件等均為壓力容器的構(gòu)成部件，容器結(jié)構(gòu)具有比較高的復(fù)雜性。本文中以不同預(yù)應(yīng)變量為背景，分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓力容器的承載能力。

3.1 有限元數(shù)值模擬

狀態(tài)非線性、幾何非線性、材料非線性為造成結(jié)構(gòu)非線性的三個(gè)主要原因。應(yīng)變強(qiáng)化奧氏體不銹鋼壓力容器期間，塑性大變形會先后發(fā)生在局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)、容器主體遠(yuǎn)離不連續(xù)區(qū)，從而較為明顯的改變?nèi)萜鞯膸缀涡螤?，在進(jìn)行有限元數(shù)值模擬時(shí)，幾何非線性為必須考慮的因素。同時(shí)，材料非線性問題中還應(yīng)包含材料的本構(gòu)模型。

3.2 非線性模擬

對應(yīng)變強(qiáng)化過程模擬時(shí)，材料強(qiáng)化效應(yīng)、容器塑性變形為需要考慮的因素，選擇材料模型時(shí)，應(yīng)全面的考慮，以保證選擇的合理性，多線性等向強(qiáng)化模型比較適合。建立有限元模型過程中，數(shù)值模擬應(yīng)以壓力容器的實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸為依據(jù)，以便于與實(shí)際情況相接近，將其實(shí)際承載能力較為準(zhǔn)確的反映出來。實(shí)際上，圓筒容器模型的內(nèi)徑為5 0 0 mm，筒體、封頭的壁厚及開孔接管壁厚均分別為5 mm、1 0 mm；球形容器模型的內(nèi)徑為5 0 mm，球殼壁厚5 mm，球殼接管壁厚1 0 mm。由上述參數(shù)，即可建立起有限元模型，并完成相應(yīng)的計(jì)算。

3.3 結(jié)果分析

強(qiáng)化壓力下，由應(yīng)力應(yīng)變云圖可知，在圓筒容器主體部位，實(shí)施應(yīng)變強(qiáng)化時(shí)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到4 1 0 MP a，筒體、接管部位的應(yīng)力顯著高于此數(shù)值，達(dá)到最大，可見，應(yīng)變強(qiáng)化處理圓筒容器時(shí)，先進(jìn)入塑性階段的為筒體及接管，主體部位的等效應(yīng)力達(dá)到一定時(shí)，最為危險(xiǎn)的區(qū)域即為筒體及接管，球形容器情況與圓筒容器類似。極限荷載下，由應(yīng)力應(yīng)變云圖可知，應(yīng)變強(qiáng)化處理時(shí)，圓筒容器及球形容器爆破失效首先發(fā)生的區(qū)域均為接管與筒體、球殼連接區(qū)域。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，無論強(qiáng)化壓力下，或是極限荷載下，壓力容器應(yīng)力應(yīng)變集中的部位均為開孔接管連接主體部位的區(qū)域，爆破可能先發(fā)生于此部位，與主體部位等效應(yīng)變相比，此部位約為其2倍，這說明，應(yīng)變強(qiáng)化處理奧氏體不銹鋼壓力容器時(shí)，應(yīng)控制局部應(yīng)變集中系數(shù)不超過2。

4 結(jié)語

利用奧氏體不銹鋼材料制造壓力容器時(shí)，引入的新型設(shè)計(jì)理念為彈塑性應(yīng)力分析，在此設(shè)計(jì)理念作用下，可將容器應(yīng)變強(qiáng)化階段的承載能力準(zhǔn)確的模擬出來，降低了容器局部破壞的發(fā)生率，一定程度上提升了容器的實(shí)際承載能力。

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