基于失效模式的超高壓容器設計關鍵技術研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術和國民經濟的發(fā)展，很多行業(yè)對壓力容器的需求呈現(xiàn)極端化趨勢，特別對超過100MPa的壓力容器（簡稱“超高壓容器”）需求日益增加。我國在役的超高壓容器數(shù)量已達數(shù)千臺，廣泛應用于低密度聚（LDPE）乙烯、等靜壓技術、人造水晶、食品高壓殺菌、射流切割等領域。如在等靜壓（Isostatic Pressing）裝置中的加壓設備，超高壓水晶反應釜，超高壓聚乙烯反應器等。超高壓容器工作條件苛刻，工況往往都是高壓、高溫，還會伴隨著疲勞載荷作用

2、，失效事故屢有發(fā)生，造成了很大的經濟損失、甚至人員傷亡。為保障超高壓容器的安全，同時考慮其在材料、設計、制造、檢測等方面的特殊要求，我國于上世紀90年代初曾單獨針對此類設備頒布了《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程（試行）》。規(guī)程在總體上對超高壓容器的建造提出了強制性的要求。然而在標準方面，我國目前的標準體系中還沒有針對超高壓容器建造的標準。工程上廣泛使用的JB4732《鋼制壓力容器分析設計標準》規(guī)定的壓力上限也僅為100MPa，而且JB4732采

3、用的設計理念也并不完全適用于超高壓容器。目前國內超高壓容器建造，大都只能參考國外標準或相關設計手冊。這既制約了該領域的發(fā)展，又帶來安全隱患。
　　本研究主要內容包括：⑴開展了超高壓容器爆破壓力預測公式的精度和安全系數(shù)的研究。通過近百組參數(shù)化數(shù)值分析，結合文獻中數(shù)百組爆破試驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計工作，確定了精度最高的超高壓容器厚壁圓筒爆破壓力預測公式；并在此基礎上，通過對試驗數(shù)據(jù)的失效概率分析，并綜合考慮各種工程因素（檢驗技術、質量管理、

4、材料性能等），對超高壓容器爆破安全系數(shù)的調整進行了深入研究。研究表明：目前廣泛使用的Faupel公式會高估高強鋼容器的爆破壓力，采用流變應力公式預測超高壓容器爆破壓力具有更高的精度。對閉端厚壁圓筒結構超高壓容器，將爆破安全系數(shù)從3調整至2.4，可在保證安全的同時實現(xiàn)輕量化。⑵建立了適用于國產炮鋼的本構模型和斷裂應變，為超高壓容器設計中引入塑性分析提供技術支撐。開展了國產炮鋼在各個溫度下的力學性能試驗，結果顯示國產炮鋼呈現(xiàn)多階段硬化的特性

5、；提出了基于 MPC的新的本構模型，研究表明該模型可以較為精確地描述高強鋼在頸縮前的應力應變響應，同時具有參數(shù)可以直接通過線性擬合獲得的優(yōu)點。設計并完成了帶不同缺口尺寸的拉伸試驗以獲得不同的應力狀態(tài)，結果顯示國產炮鋼的延性對應力狀態(tài)十分敏感，只對材料伸長率和截面收縮率的要求是不夠完善的，獲得了國產炮鋼考慮應力三軸度效應的斷裂損傷模型；在此基礎上，建立了防止超高壓容器局部失效的應變限制準則。⑶獲得了我國超高壓容器的疲勞設計曲線，建立了考慮