應變強化對壓力容器安全裕度的影響效果初探

任麗萍

摘 要：本文通過試件拉伸試驗和圓筒容器的有限元模擬方法，探究加載路徑和預應變量兩個元素對應變強化容器塑性的失穩壓力的影響。結果顯示：加載路徑這一元素試件以及圓筒容器的極限承載能力具有較小的影響。對壁厚為1.02到1.10范圍內的容器，壁厚對預變后容器的塑性失穩壓力的影響甚小。同時考慮容器的塑性變形以及材料的強化效應的改變情況，大約4%到12%的試件和容器的最小安全裕度會有常規的4.76降低到2.21。本次研究得到的最小安全裕度和國外相關的標準一致，這說明應變強化后容器仍然具有相對較高的安全裕度。

關鍵詞：壓力容器 安全預度 應力強化

1.前言

對于壓力容器而言，在設計的過程中不僅要考慮其安全性能，同時還要考慮它的經濟可行性。應變強化技術作為一種新的技術，將其應用到壓力容器的設計中，雖在一定程度上降低了容器材料的部分塑性，但是其也在一定程度上提高了材料的屈服強度。應用應變強化及時之后，壓力容器的壁厚就會得到大大的降低，這不僅能夠降低容器的重量，最重要的是能夠有效的提高材料的利用效率，提高壓力容器設計的經濟可行性。但是經過這個過程后，容器的整體外形就會發生明顯的塑性變形，關鍵是在應變后的容器設計環節中，設計的尺寸等數據因素卻和應變前的數據一致，忽略了這些工作環節對材料安全預度的影響，給壓力容器的工作環節中埋下了巨大的安全隱患。

2.應變強化路徑對壓力容器塑性失穩性的影響

2.1不同情況的加載路徑試件的預拉伸試驗以及結果的數據分析

本次試驗選取的試驗對象是四個完全相同的06Gr19Ni0奧式體不銹鋼材料，并且對其分別標號為去a、b、c、d，然后對試驗材料的矩形截面試件分別進行各應路徑的預拉伸試驗，a材料試件進行拉伸程度為斷裂，b、c、d材料分別采用不同的拉伸力對其拉伸，使得材料試件發生部分塑性變形、卸載恢復、再拉伸直至材料斷列裂，通過實驗后比較各試件在不同預應變下的拉伸承載能力，實驗結果如下所示：

通過實驗數據分析可得，在不同加載路徑下的情況下，也就是不同程度的應變強化情況下，這些材料的極限承載能力的變化程度是不大的，說明不同加載路徑雖然能夠使得材料的失穩點發生變化，但是對材料的極限承載能力的影響是微乎其微的。

2.2有限元模擬試驗分析

本次試驗選用的試驗方法是有限元模擬試驗方法，并且設定兩種加載方式，第一種為一次性加載材料使材料的塑性失穩，第二種是分兩次加載，第一次加載時使材料達到塑性變形的目的，卸載后對材料進行第二次加載，直接使材料的塑性失穩。在模擬的過程中，壓力容器模型選擇為?350mm×8mm×180000mm的圓筒容器，并且通過查表可知厚度為8mm的6Crl9Nil0板的實測真應力變曲線。在試驗過程以及數據分析過程中，有限元數值模擬選用的是Plane82二維八點節點實體單元，并且要通過幾何大變形效應，同時壓力容器模型要采取多線性等向強化MISO模型，計算方法采用弧長法對其數據進行分析解析。在計算過程中，要對上述兩種加載方式的材料模型的塑性失穩壓力進行計算，在此要注意，在第二種加載方式的計算過程中要給容器施加0.10左右的6組預應變，計算結果如下：

從實驗數據的分析中可以看出，在上述兩種加載方式的影響下，該壓力容器模型的材料塑性失穩壓力基本沒有變化，而最大環向應變卻隨著預應變量的逐漸增大而減小等。

總體來說，通過這個實驗可以得知，壓力容器的極限承載能力是不會隨著加載方式的變化而變化的，但是預應變強化容器的儲備卻會隨著預應變量的增加而逐漸減小。

3.壓力容器整體的塑性變形與壓力容器材料失穩壓力的聯系

在本次試驗中，壓力容器試驗模型的初始內徑為400毫米，在試驗數據的分析計算過程中壓力容器的模型長度應當大于等于五倍的內徑，也就是大于等于2000毫米。根據實際情況，在現實中的應變強化壓力容器一般都是薄壁容器，所以在此可以合理的將容器的徑比選擇在1.10左右，根據實驗要求則可以詳細的取1.02、1.04、1.06、1.08、1.10五組數據。在有限模擬過程中，壓力容器預應變后的尺寸應當按照一定的計算公式進行計算。

試驗完成之后對數據進行計算分析發現，兩種模型的有限元的計算結果基本相當，在取上述五組數據的徑比情況下，塑性變形對壓力容器材料的失穩壓力有一定的影響，這種影響會隨著壓力容器的徑比的增大而逐漸增大，和沒有對其施加預應變的情況相比，壓力容器的模型在0.04到0.12的預應變范圍內塑性失穩壓力的平均下降幅度最大為6.42%，是發生在預應變量為0.08的情況下，詳細如下：

通過上述數據可知，雖然應變強化會使得壓力容器的半徑逐漸變大，壁厚逐漸減小，但是材料的塑性失穩壓力的下降幅度卻很小，這也說明材料的強化效應在一定程度上對容器的尺寸改變做到了一定的彌補。

4.結論

通過數據的分析可以總結出加載路徑對試件和容器的極限承載能力的影響是比較小的；不同的預應變量能夠使容器產生不同的塑性變形，過一段時間后在材料硬度的影響下容器的塑性變形會逐漸恢復，但是在這個過程中容器材料的塑性失穩載荷就會隨之略減小；對于徑比為1.0左右的薄壁容器來說，容器壁厚對應變強化后的容器塑性失穩壓力的影響程度是很小的，如果在此對容器預應變后容器外形的改變和材料應力曲線改變的情況進行分析，在百分之四到百分之十二的預應變后的最小安全預度會明顯下降，證明應變強化對壓力容器的安全預度的影響效果是非常明顯的。

參考文獻

[1]江楠，陳國旋，李兆鋒.應變強化對壓力容器安全裕度的影響.華南理工大學學報（自然科學版）.2012年11期

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