GB/T 34019—2017《超高壓容器》標(biāo)準(zhǔn)分析

陳志偉1，李 濤，楊國(guó)義1，鄭津洋

(1.全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，北京 100029；2.浙江大學(xué)，杭州 310027)

1 標(biāo)準(zhǔn)的制定背景

超高壓容器是指設(shè)計(jì)壓力等于或大于100 MPa的容器，廣泛應(yīng)用于低密度聚乙烯(LDPE)、等靜壓技術(shù)、人造水晶、食品超高壓殺菌、射流切割等領(lǐng)域。我國(guó)在役的超高壓容器已達(dá)數(shù)千臺(tái)。由于此類(lèi)容器的工作條件極端苛刻，往往都是高壓、高溫，還會(huì)伴隨著循環(huán)疲勞載荷作用，失效事故屢有發(fā)生，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失、甚至人員傷亡[1-3]。

為保障此類(lèi)容器的安全，同時(shí)考慮其在材料、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)等方面的特殊要求，很多國(guó)家已針對(duì)超高壓容器單獨(dú)制定了適用于本國(guó)實(shí)際情況的建造標(biāo)準(zhǔn)，并按一定周期更新。如美國(guó)的ASME BPVC Section Ⅷ-3《高壓容器——另一建造規(guī)則》，日本的KHKS 0220《超高壓氣體設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》等。中國(guó)于20世紀(jì)90年代初曾單獨(dú)針對(duì)此類(lèi)設(shè)備頒布了《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程(試行)》[4](以下簡(jiǎn)稱(chēng)為規(guī)程)。該規(guī)程在總體上對(duì)超高壓容器的建造提出了強(qiáng)制性的要求(現(xiàn)已合并到TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[5])。

在我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系中一直缺少針對(duì)超高壓容器的建造標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的超高壓容器設(shè)計(jì)只能參考相關(guān)規(guī)程或國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。這既制約該領(lǐng)域在我國(guó)的發(fā)展,也又帶來(lái)安全隱患。

鑒于上述情況，在相應(yīng)國(guó)家科研課題研究的基礎(chǔ)上，《超高壓容器》標(biāo)準(zhǔn)于2013年7月由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批復(fù)立項(xiàng)，并于2018年2月1日正式實(shí)施。

2 標(biāo)準(zhǔn)的制定理念

GB/T 34019—2017《超高壓容器》規(guī)定了非焊接單層超高壓容器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)容器)材料、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收等方面的要求，包括超壓泄放裝置。標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)計(jì)壓力大于或等于100 MPa且設(shè)計(jì)溫度范圍在-40～400 ℃的容器。標(biāo)準(zhǔn)不適用于直接火焰加熱的容器、核能裝置中存在中子輻射損傷失效風(fēng)險(xiǎn)的容器、旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備中自成整體或作為部件的受壓器室(如泵殼、壓縮機(jī)外殼、渦輪機(jī)外殼、液壓缸等)、移動(dòng)式容器、軍事用途容器。在我國(guó)現(xiàn)有壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中，針對(duì)超高壓容器的特點(diǎn)做了如下考慮：(1)基于失效模式的設(shè)計(jì)思路引入先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法；(2)更低的設(shè)計(jì)余量；(3)更加嚴(yán)格的材料性能要求；(4)更加詳細(xì)的應(yīng)力分析，強(qiáng)制性的疲勞評(píng)定要求；(5)考慮自增強(qiáng)工藝等產(chǎn)生的平均應(yīng)力對(duì)容器疲勞壽命的增益；(6)適合厚壁圓筒的檢測(cè)技術(shù)，更嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)要求。

3 標(biāo)準(zhǔn)考慮的失效模式

標(biāo)準(zhǔn)首次將基于失效模式的設(shè)計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)的編制思路，并將失效模式分為標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的失效模式和工程上應(yīng)考慮的失效模式兩類(lèi)。

標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的超高壓容器的失效模式包括脆性斷裂失效、塑性垮塌失效、局部過(guò)度應(yīng)變失效、疲勞失效、棘輪失效、泄漏失效。針對(duì)以上6種失效模式,在相應(yīng)章節(jié)給出了相應(yīng)的選材、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求。同時(shí)，明確標(biāo)準(zhǔn)不可能涵蓋超高壓容器涉及的所有失效模式，除本標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的失效模式外，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)充分考慮容器在運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的其他失效模式，如介質(zhì)腐蝕、堿脆等，標(biāo)準(zhǔn)定義為工程上應(yīng)考慮的失效模式。

容器的失效模式是指容器喪失其規(guī)定功能或者危及安全的事件及其本質(zhì)原因。標(biāo)準(zhǔn)給出了超高壓容器可能涉及到的主要失效模式的定義。

(1)脆性斷裂:容器未經(jīng)明顯的塑性變形而發(fā)生的斷裂。

(2)塑性垮塌:在單調(diào)加載條件下容器因過(guò)量總體塑性變形而不能繼續(xù)承載導(dǎo)致的破壞。

(3)局部過(guò)度應(yīng)變:容器結(jié)構(gòu)不連續(xù)處因材料延性耗盡而產(chǎn)生的裂紋或者撕裂。

(4)疲勞:循環(huán)載荷作用下，容器在某點(diǎn)或者某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定載荷循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展至完全斷裂。

(5)棘輪:容器同時(shí)承受恒定載荷和循環(huán)載荷作用，容器產(chǎn)生逐次遞增的塑性變形累積現(xiàn)象。

(6)泄漏:容器本體或連接件失去密封功能。

4 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

4.1 基本壁厚計(jì)算公式與安全系數(shù)

壁厚計(jì)算公式和安全系數(shù)是超高壓力容器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對(duì)超高壓容器，我國(guó)原規(guī)程中給出了兩種計(jì)算方法，即：基于拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的Faupel公式和基于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的黃載生公式[6]。安全系數(shù)則是根據(jù)日本學(xué)者的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7-9]，分為基本安全系數(shù)1.8和可靠性安全系數(shù)1/0.6，一并取為3.0。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述公式和安全系數(shù)均進(jìn)行了全面調(diào)整。

4.1.1 基本壁厚計(jì)算公式

標(biāo)準(zhǔn)保留了黃載生公式，并采用流變應(yīng)力公式取代Faupel公式，作為超高壓容器基本壁厚計(jì)算公式：

(1)

式中Pb——爆破壓力，MPa；

K——容器外徑與內(nèi)徑之比。

公式的調(diào)整是建立在廣泛分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)[10-12]，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上完成的。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，流變應(yīng)力公式的統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于Faupel公式。

4.1.2 安全系數(shù)

此次安全系數(shù)的調(diào)整，主要是考慮到以下技術(shù)的進(jìn)步： (1)我國(guó)冶煉水平提升，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼的硫、磷含量控制水平，韌性等方面性能已大幅提高；(2)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步使得缺陷檢出率大大提高；(3)設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，如通過(guò)采用斷裂力學(xué)方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行疲勞評(píng)定，從而使容器設(shè)計(jì)的可靠性提高等。

標(biāo)準(zhǔn)采用“分安全系數(shù)”的思路對(duì)安全系數(shù)也進(jìn)行了全面調(diào)整，具體為：當(dāng)按照材料的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算爆破壓力時(shí)，安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)取大于或者等于2.2，對(duì)于超高壓水晶釜應(yīng)當(dāng)取大于或者等于2.4；當(dāng)按照材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算爆破壓力時(shí)，應(yīng)當(dāng)取大于或者等于2.2。

其中，針對(duì)超高壓水晶釜的安全系數(shù)2.4是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的失效概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果獲得的，通過(guò)統(tǒng)計(jì)容器材料屈強(qiáng)比大于0.8的爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得可靠性安全系數(shù)1/0.684，基本安全系數(shù)1.6，最后取整為2.4。安全系數(shù)2.2則是基于實(shí)際工程考慮與流變應(yīng)力計(jì)算公式的計(jì)算精度進(jìn)行的調(diào)整。

4.2 設(shè)計(jì)方法

相對(duì)于以公式圖表為手段的常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 150以及以板殼理論應(yīng)力分類(lèi)為手段的JB 4732標(biāo)準(zhǔn)，此次超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)從基于失效模式的設(shè)計(jì)思路出發(fā)，引入了諸多新的設(shè)計(jì)方法。

4.2.1 基于有限元技術(shù)的塑性分析法

長(zhǎng)久以來(lái)，以板殼理論為基礎(chǔ)的應(yīng)力分類(lèi)法一直是我國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)的主要手段。然而，超高壓容器由于極端的設(shè)計(jì)壓力，容器的徑比(外徑/內(nèi)徑)較大，往往大于1.5，并不符合板殼理論的基本假設(shè)。也有研究[13]表明，對(duì)徑比較大的容器采用應(yīng)力分類(lèi)法會(huì)得到不保守解。

應(yīng)力分類(lèi)法本質(zhì)上是在計(jì)算手段不夠發(fā)達(dá)的時(shí)期，采用彈性力學(xué)技術(shù)解決塑性問(wèn)題的折中手段。隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和商用有限元軟件的日趨成熟，在工程上直接采用彈塑性分析成為可能。以EN 13445[14]和ASME Ⅷ-2[12]的2007年修訂作為標(biāo)志，基于有限元技術(shù)的彈塑性分析已成為下一代壓力容器分析設(shè)計(jì)的主流方法。

因此，標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)放棄了應(yīng)力分類(lèi)法，首次在我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系中引入基于有限元技術(shù)的彈塑性分析法。標(biāo)準(zhǔn)中明確提出了對(duì)數(shù)值計(jì)算軟件的要求，給出了創(chuàng)建有限元模型、材料應(yīng)力應(yīng)變模型、屈服準(zhǔn)則等要求和評(píng)定步驟。為規(guī)避塑性分析中由不收斂帶來(lái)的數(shù)值解的不唯一性，標(biāo)準(zhǔn)采用載荷放大系數(shù)的手段，以放大后載荷獲得唯一收斂解作為合格判定。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)還給出了防止局部過(guò)量失效的彈塑性評(píng)定方法。

4.2.2 多軸疲勞評(píng)定法

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于超高壓容器必須進(jìn)行疲勞評(píng)定。考慮到自增強(qiáng)等超高壓容器制造采用工藝，標(biāo)準(zhǔn)給出了考慮平均應(yīng)力影響(特別是自增強(qiáng)處理后所產(chǎn)生的負(fù)平均應(yīng)力對(duì)容器疲勞壽命的增益)的多軸疲勞評(píng)定法。

多軸疲勞評(píng)定法認(rèn)為疲勞壽命由疲勞載荷所產(chǎn)生的最大切應(yīng)力(變)幅決定；同時(shí)也受到垂直于最大切應(yīng)力(變)平面的正應(yīng)力影響。該方法已經(jīng)被EN 13445和ASME Ⅷ-3標(biāo)準(zhǔn)所采納。Osage[15]和Zeman等[16]均認(rèn)為多軸疲勞評(píng)定法是下一代壓力容器疲勞評(píng)定的主流方法。

標(biāo)準(zhǔn)采用多軸疲勞評(píng)定法是Findley多軸疲勞損傷模型，其一般表達(dá)式為：

Δτa+kσn=f(N)

(2)

式中Δτa——切應(yīng)力幅；

k——材料參數(shù)，由Burns等[17]的研究，取k=0.2；

σn——垂直于臨界面的正應(yīng)力。

具體評(píng)定步驟詳見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)正文。經(jīng)過(guò)與統(tǒng)計(jì)的數(shù)百組厚壁圓筒疲勞試驗(yàn)[18-23]的對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)疲勞評(píng)定的適用性和安全性得到了驗(yàn)證。

4.2.3 斷裂力學(xué)疲勞評(píng)定法

超高壓容器多采用高強(qiáng)鋼材料，由此帶來(lái)缺口敏感性問(wèn)題，極小的劃痕均可能成為裂紋源?；诖?，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定針對(duì)無(wú)法滿(mǎn)足材料韌性條件的容器，須采用斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行疲勞評(píng)定。根據(jù)Underwood等[24]開(kāi)展的厚壁圓筒疲勞試驗(yàn)，以失效后裂紋貫穿面造成的縱向長(zhǎng)度2cf與臨界裂紋長(zhǎng)度2cc之比作為失效嚴(yán)重程度的依據(jù)，將超高壓容器疲勞失效劃分為兩大類(lèi)：若cf

bc≤(KIC/σs)2

(3)

在無(wú)法滿(mǎn)足“未爆先漏”的條件時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)要求以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，假設(shè)初始裂紋的存在，以權(quán)函數(shù)法[25-28]計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度，以Paris公式[29]作為裂紋擴(kuò)展速率的基本公式，最終獲得裂紋擴(kuò)展壽命。

4.3 材料基本性能

標(biāo)準(zhǔn)提供了目前我國(guó)超高壓容器應(yīng)用較為廣泛的材料，包括2個(gè)材料牌號(hào)35CrNi3MoVR和36CrNi3MoVR。容器受壓元件用鋼應(yīng)是采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉的鎮(zhèn)靜鋼，并應(yīng)經(jīng)過(guò)爐外精煉(含真空處理)或電渣重熔。標(biāo)準(zhǔn)中給出了2個(gè)牌號(hào)的化學(xué)成分、熱處理、低倍組織、金相組織、常溫和高溫力學(xué)性能、設(shè)計(jì)疲勞曲線的要求，同時(shí)對(duì)材料的硬度、彈性模量和線膨脹系數(shù)等進(jìn)行了規(guī)定。

疲勞設(shè)計(jì)曲線是通過(guò)數(shù)十組單軸拉-壓疲勞試驗(yàn)、采用Langer公式[30]的形式(見(jiàn)式(4))，獲得了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的超高壓容器材料疲勞性能的最佳擬合曲線，參數(shù)分別為：A1=0.114,A2=0.002 5,n=0.495。

(4)

最后，綜合考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性、實(shí)際容器工況與試樣的差異等影響，最終交變應(yīng)力幅值和疲勞壽命的安全系數(shù)分別取2和15，獲得我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的超高壓容器疲勞設(shè)計(jì)曲線，如圖1所示。

圖1 疲勞設(shè)計(jì)曲線

4.4 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

在超高壓容器制造、使用過(guò)程中，無(wú)損檢測(cè)是保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全使用的有效手段。超聲檢測(cè)同時(shí)適用于內(nèi)部缺陷和外表面缺陷檢測(cè)，是超高壓容器的主要檢測(cè)方法。然而，由于超高壓容器的徑比(外徑/內(nèi)徑)通常大于1.5，周向超聲檢測(cè)技術(shù)難度較大，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和成熟的檢測(cè)工藝。

標(biāo)準(zhǔn)在深入分析國(guó)內(nèi)外超高壓容器周向超聲檢測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)研究，提出了針對(duì)不同規(guī)格超高壓容器的全橫波檢測(cè)、橫波/縱波雙重波型檢測(cè)和變形橫波檢測(cè)等工藝方法：對(duì)1.25

上述工藝方法在產(chǎn)品對(duì)比試樣試驗(yàn)和超高壓容器檢驗(yàn)試驗(yàn)中得到成功驗(yàn)證。

5 比較與討論

5.1 與我國(guó)現(xiàn)有壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的比較

我國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)體系中之前主要的核心標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：基于規(guī)則設(shè)計(jì)方法的GB 150/T《壓力容器》和基于分析設(shè)計(jì)方法的JB 4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。前者適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于35 MPa的容器；后者適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于100 MPa的容器。標(biāo)準(zhǔn)的頒布，完善了我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系，填補(bǔ)了針對(duì)100 MPa壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的空白。在我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系中，標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)既突出了超高壓容器的獨(dú)特性；又具有與GB/T 150,JB 4732標(biāo)準(zhǔn)不同的特色，相關(guān)對(duì)比情況見(jiàn)表1。

5.2 與國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較

目前，針對(duì)超高壓容器，世界上主要的標(biāo)準(zhǔn)有HPIS C-103《超高壓圓筒容器設(shè)計(jì)指針》，HPIS C-106《高壓容器標(biāo)準(zhǔn)》，KHKS 0220《超高壓氣體設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》和ASME Ⅷ-3。本標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)，既參考了這些國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)；又具有我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)自身的特點(diǎn)。本標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外相關(guān)超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比情況見(jiàn)表2。

6 結(jié)語(yǔ)

GB/T 34019—2017 《超高壓容器》標(biāo)準(zhǔn)的制定具有以下主要特點(diǎn)。

(1)國(guó)內(nèi)首次將基于失效模式的設(shè)計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)的編制思路，并將失效模式分為標(biāo)準(zhǔn)涵蓋的失效模式和工程上應(yīng)考慮的失效模式兩類(lèi)；

(2)超高壓容器壁厚設(shè)計(jì)公式由流變應(yīng)力公式取代Faupel公式，針對(duì)不同的超高壓容器給出了不同的安全系數(shù)，并引入了彈塑性分析設(shè)計(jì)方法和斷裂力學(xué)疲勞評(píng)定方法；

(3)給出了我國(guó)常用超高壓容器材料的自主研發(fā)的疲勞設(shè)計(jì)曲線；

表1 我國(guó)承壓設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比較

表2 國(guó)外主要超高壓容器標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的比較

(4)提出了針對(duì)不同規(guī)格超高壓容器的全橫波檢測(cè)、橫波/縱波雙重波型檢測(cè)和變形橫波檢測(cè)等工藝方法。

目前標(biāo)準(zhǔn)仍存在一些不足，如標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)單層超高壓容器，特別是人造水晶、低密度聚乙烯這兩個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，而對(duì)諸如繞絲、多層等其他結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究。同時(shí)，由于材料性能數(shù)據(jù)的不足，標(biāo)準(zhǔn)中只涉及到了兩個(gè)鍛件材料牌號(hào)，分別為35CrNi3MoVR和36CrNi3MoVR。材料本構(gòu)曲線直接引用了ASME規(guī)范的模型，待我國(guó)JB 4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的修訂工作完成后與之銜接。疲勞設(shè)計(jì)曲線只獲得到了105，高周曲線部分需要補(bǔ)充。