奧氏體不銹鋼壓力容器的塑性載荷及安全裕度研究

陳思宇，趙榮

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

奧氏體不銹鋼壓力容器的塑性載荷及安全裕度研究

陳思宇，趙榮

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

社會經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展過程中，所能夠應(yīng)用的能源數(shù)量正在快速下降，在這種情況下壓力容器輕型化設(shè)計就成為主要研究內(nèi)容。壓力容器輕型化設(shè)計過程中的必然途徑就是壓力容器的分析設(shè)計與應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計。伴隨著有限元非線性技術(shù)及塑形力學(xué)越加完善，壓力容器在彈塑形方面取得了十分顯著的成果。奧氏體不銹鋼壓力容器在國外已經(jīng)研究多年，我國在這方面研究時間較短。在對壓力容器彈塑性分析及應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計過程中，需要將壓力容器材料所具有的強(qiáng)化效應(yīng)及變形情況考慮在內(nèi)，同時這種設(shè)計方法也是現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)最為先進(jìn)的技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊。

彈塑性分析；奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)華；載荷-變形；塑形失穩(wěn)壓力；安全裕度

伴隨著科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，壓力容器開始在眾多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，并且取得了十分顯著的成果，核電、石油天然氣等等領(lǐng)域?qū)τ趬毫θ萜髟O(shè)備需求數(shù)量在穩(wěn)定增加，但是大型壓力容器在制造過程中對于金屬材料需求數(shù)量較高，還需要在特殊條件下提高壓力容器的安全性能，制造成本較為高昂。在低溫狀態(tài)下應(yīng)用最為廣泛的壓力容器就是奧氏體不銹鋼壓力容器，但是由于奧氏體不銹鋼材料自身所擁有的抗屈強(qiáng)度較低，要是按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行設(shè)計，就會造成奧氏體不銹鋼材料壓力容器內(nèi)壁較厚，材料所具有的承載性能無法充分發(fā)揮出來，同時制造成本較為高昂，向輕型化建設(shè)就成為解決奧氏體不銹鋼壓力容器問題的主要途徑。

1 奧氏體不銹鋼壓力容器載荷變形與塑形失穩(wěn)壓力

1.1 有限元及解析式的載荷-變形比較

奧氏體不銹鋼壓力容器所具有的載荷-變形解析式和塑形失穩(wěn)壓力解析式，都是在平面等比加載基礎(chǔ)上面所構(gòu)建起來的，本文就以有限元模型作為基礎(chǔ)，選擇壓力容器與實際情況最為吻合的圓筒及球殼中間位置，在分析提取過程中，就要在有限元圓筒及球殼模型上面提出。流程為：通過有限元對于圓筒及球殼上面所具有的數(shù)據(jù)信息輸入到電子文檔內(nèi)，并且將載荷-應(yīng)變數(shù)據(jù)的1%提取出來，這個數(shù)值就是塑形失穩(wěn)下的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)都紀(jì)錄之后，就能夠在材料應(yīng)力曲線內(nèi)找到不同應(yīng)力點所對應(yīng)的數(shù)值，進(jìn)而在將數(shù)據(jù)帶入到有關(guān)公式內(nèi)，這樣也就形成了載荷分析式，有限元計算出來的載荷數(shù)值與解析式載荷數(shù)值之間就能夠進(jìn)行分析對比。

（1）長徑比不同對圓筒變形的影響

圓筒在不同L/D數(shù)值的情況下，有限元所計算出來的載荷與解析式計算出來的載荷之間存在一定差異。要是L/D≤4的時候，有限元所計算出來的載荷數(shù)值要大于解析式所計算出來的載荷數(shù)值，在這種情況下，有限元曲線就應(yīng)該在解析式曲線的上面，伴隨著L/D數(shù)值在不斷提高的過程中，有限元計算出來的載荷數(shù)值與解析式計算出來的數(shù)值之間越加相同，誤差數(shù)值也就越?。灰荓/D≥4的時候，解析式所計算出來的載荷與有限元計算出來的載荷數(shù)值基本相同，二者之間的變形曲線也較為貼近，這樣也就表示出現(xiàn)誤差的可能性較低，擁有較高的精確性。根據(jù)這種情況表示，要是應(yīng)用解析式對圓筒載荷-變形關(guān)系計算過程中，圓筒的L/D長徑最好大于4。

（2）不同K值對圓筒載荷表型關(guān)系的影響

圓筒主體應(yīng)變在不斷提高過程中，有限元所計算出來的載荷與解析式所結(jié)算出來的載荷所具有的誤差在不斷增加。K值要是不同，有限元所計算出來的載荷-變形曲線形狀與解析式所計算出來的載荷-變形曲線具有較高的吻合性，并且伴隨著K值不斷減小，兩條曲線之間的吻合性能也就越高，在不同應(yīng)變點上面所具有的有限元與解析式的數(shù)值基本相同，要是應(yīng)變在0.0 1的時候，二者之間的差異會逐漸增加，但是差異并不顯著，這樣就表示解析式在對于載荷-變形計算過程中，出現(xiàn)誤差的可能性較低。應(yīng)變在相同的情況下，K值在不斷增大的情況下，誤差也會逐漸增加，但是誤差還是較小。在對于圓筒載荷-變形管理分析中，最好應(yīng)用解析式進(jìn)行計算，擁有較高的精確性，出現(xiàn)誤差可能性較低，圓筒內(nèi)壁要是越薄，計算結(jié)果精確性也就越高。

1.2 圓筒長徑比對圓筒內(nèi)壓塑形失穩(wěn)壓力的影響

圓筒長徑比數(shù)值在不斷提高過程中，有限元模型內(nèi)的塑形失穩(wěn)壓力會不斷減小，要是L/D=1的情況下，有限元模型所計算出來的塑形失穩(wěn)壓力數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于解析式所計算出來的塑形失穩(wěn)壓力數(shù)值；在L/D=2的情況下，有限元與解析式計算出來的塑形失穩(wěn)壓力數(shù)值基本相同；要是L/D≥5的時候，圓筒塑形失穩(wěn)壓力處于最小數(shù)值狀態(tài)之下，在這種情況下圓筒長徑數(shù)值即便是在提高，對于圓筒塑形失穩(wěn)壓力也不會進(jìn)行各種影響。

2 奧氏體不銹鋼壓力容器的安全裕度

最能夠客觀反應(yīng)出壓力容器承載水平的就是壓力容器所具有的爆破壓力，安全裕度就是爆破壓力與設(shè)計壓力之間的比值，壓力容器所具有的安全裕度能夠充分反應(yīng)映出壓力容器最大所能夠承受的承載水平。在對于奧氏體不銹鋼壓力容器安全裕度分析研究過程中，可以使用彈塑性有限元分析方法，但是想要對于壓力容器安全裕度進(jìn)行了解，就需要對于壓力容器進(jìn)行一次非線性數(shù)值的分析研究，進(jìn)而計算出壓力容器在不同應(yīng)力變化之下所能夠承受的載荷及塑形失穩(wěn)壓力數(shù)值。

2.1 不同L/D對圓筒安全裕度的影響

L/D=1的時候，解析式所計算出來的安全裕度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有限元所計算出來的安全裕度，這種情況屬于一種特殊情況。伴隨著應(yīng)變數(shù)值不斷增加的情況下，有限元所計算出來的安全裕度與解析式所計算出來的安全裕度之間的誤差會逐漸減小，解析式所計算出來的安全裕度在大于有限元所計算出來的安全裕度之后，二者之間的差距也會顯著提高，同時誤差也會由開始的負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。L/D＞1的時候，應(yīng)變數(shù)值要是相同，L/D數(shù)值在不斷增加過程中，解析式所計算出來的安全裕度會逐漸超過有限元所計算出來的安全裕度，二者之間的差值也會逐漸增加；L/D=4的時候，二者之間的誤差數(shù)值在1 5%，要是L/D數(shù)值在5到7之間的時候，解析式與有限元所計算出來的安全裕度誤差值基本上都保持在2 0%左右。L/D數(shù)值要是相同，除了L/D=1的時候，應(yīng)變數(shù)值在不斷增加的時候，解析式所計算出來的安全裕度與有限元所計算出來的安全裕度誤差會逐漸增加，L/D在等于2和3的時候，二者之間的誤差最為明顯。進(jìn)而就可以發(fā)現(xiàn)，要是使用解析式對于圓筒安全裕度進(jìn)行計算，在L/D=2或者3的時候，計算結(jié)果最為精準(zhǔn)，解析式與有限元所計算出來的安全裕度之間的誤差不會超過1 5%。筒體內(nèi)部壓力在不斷提高的時候，有限元所計算出來的安全裕度也會逐漸下降，L/D在≥5的時候，安全裕度數(shù)值將不會發(fā)生任何改變，解析式所計算出來的安全裕度也會不會隨著筒體的變化而發(fā)生改變。

2.2 不同K值對圓筒安全裕度的影響

K值與應(yīng)變不管是在何種狀態(tài)之下，解析式所計算出來的安全裕度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有限元所計算出來的安全裕度，正常情況下二者之間的誤差值主要在0.2左右。K值在相同的情況下，應(yīng)變要是調(diào)整1%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數(shù)值不會超過1.5，解析式所計算出來的安全裕度數(shù)值不會超過1.7；要是應(yīng)變數(shù)值變?yōu)?%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數(shù)值不會超過1.2 5，解析式所計算出來的數(shù)值不會超過1.4 5；要是應(yīng)變數(shù)值變?yōu)?%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數(shù)值不會超過1.2，解析式所計算出來的安全裕度數(shù)值不會超過1.4。這些數(shù)值都能夠表示奧氏體不銹鋼材料自身具有良好的塑性性能，能夠在壓力容器圓筒上面所應(yīng)用，在出現(xiàn)塑性變形之后，壓力容器所具有的安全裕度并不會顯著提高，壓力容器所具有的這個特點需要特別關(guān)注。

3 結(jié)語

在對于壓力容器塑弾性分析設(shè)計過程中，雖然是將國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)考慮在內(nèi)，但是由于壓力容器所具有的設(shè)計理念十分先進(jìn)，進(jìn)而其擁有良好的發(fā)展前景，這樣對于壓力容器的設(shè)計及制造一定會造成較大的影響。我國在應(yīng)變強(qiáng)技術(shù)上面的研究時間較短，但是由于其設(shè)計及制造流程較為簡單，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用。應(yīng)變強(qiáng)技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，能夠有效降低壓力容器在材料上面的經(jīng)濟(jì)成本，實現(xiàn)節(jié)能減排。

[1]鄭津洋，繆存堅，壽比南.輕型化-壓力容器的發(fā)展方向[J].壓力容器，2 0 1 5，2 6(0 9):4 2~4 8.

[2]周連東，江楠.國產(chǎn)S 3 0 4 0 8奧氏體不銹鋼應(yīng)變強(qiáng)化低溫壓力容器許用應(yīng)力及應(yīng)變的確定[J].壓力容器，2 0 1 1,2 8(2):5~1 0.

[3]馬利,鄭津洋,壽比南等.奧氏體不銹鋼制壓力容器強(qiáng)度裕度研究[J].壓力容器，2 0 1 4,2 5(1):1~5.

[4]方健，魏毅靜，王承忠等.拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)的解析測定及力學(xué)分析[J].塑性工程學(xué)報，2 0 1 3,1 0(3):1 2~1 7.

[5]常東華，周曉，魏佰友.應(yīng)變硬化指數(shù)n值的測定和應(yīng)用[J].理化檢驗-物理分冊，2 0 1 4,4 2(5):2 4 2~2 4 4.

T H 4 9

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 2（下）-0 0 9 8-0 2