奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化承載能力研究

陳小寧，周吉軍

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

奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化承載能力研究

陳小寧，周吉軍

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

在壓力容器發展過程中，一個重要的課題為如何使輕型化設計中并重安全與經濟。隨著美國及歐盟制定的壓力容器標準中納入彈塑性分析設計方法，奧氏體不銹鋼壓力容器在開展輕型化設計時，逐漸應用于彈塑性分析設計為基礎的應變強化技術，發展前景十分廣闊。利用應變強化技術設計奧氏體不銹鋼壓力容器后，屈服強度可顯著提升，壁厚及壓力容器的重量降低，有效的實現節能減排。本文重點分析了基于應變強化技術設計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；應變強化；承載能力

壓力容器主要的應用領域為石油行業、核電行業、低溫工程等，近年來，隨著這些領域的良好發展，也提升了對壓力容器的需求。制造低溫容器時，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，但在設計低溫容器過程中，由于此種材料并不具備高的屈服強度及抗拉強度，導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。采用輕型化設計方法后，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行研究。

1 壓力容器內壓塑性失穩壓力與安全裕度

與常規設計方法相比，壓力容器應用應變強化技術設計時，可顯著減小壁厚，但經強化后，容器結構塑性較為明顯的發生變形，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際承載能力、塑性失穩壓力、安全裕度的方法均存在一定的不足，本文結合彈塑性分析方法及有限元模擬方法，分析圓筒塑性失穩壓力受到圓筒長度及壁厚的影響，并分析球殼塑性失穩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，容器內徑均為5 0 0 mm，其中6個模型的長度與內徑比為1～6 mm，另外6個長度與內徑比均為4 mm，但徑比由1.0 2～1.2 mm。球殼有限元模型建立6個，容器內徑均為5 0 0 mm，徑比由1.0 2～1.2 mm。計算時，為了將計算量減少，建立圓筒及球殼模對稱模型時，分別采用長度方向1/2結構及整體1/4結構。

1.2 計算塑性失穩壓力

第一，分析圓筒內壓塑性失穩壓力受到筒體長度的影響。該分析以長度與內徑比為1～6 mm的6個圓筒有限元模型為基礎，經過計算發現，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壓力，這說明減弱了封頭的強化作用，筒體長度與內徑比達到3 mm后，即使數值再提升，塑性失穩壓力也不會繼續降低，此時，即可忽略封頭的強化作用產生的變化。第二，分析圓筒內壓塑性失穩壓力受到筒體厚度的影響。由分析結果可知，徑比比值不斷提升時，有限元模型解也逐漸提高，即提高塑性失穩壓力，二者呈正相關。第三，分析球殼內壓塑性失穩壓力受到殼體厚度的影響。通過前文建立的6個球殼有限元模型，經計算及分析可知，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，塑性失穩壓力也不斷的增大。

1.3 預應變下計算安全裕度

通常，表示壓力容器安全裕度時采用的方式為爆破壓力與設計壓力之間的比值，但在利用應變強化技術設計的壓力容器中，塑性失穩壓力近似于爆破壓力，而設計壓力則包含兩種，一種產生于強化處理時，為預應變下的強化壓力，另一種產生于實際使用時，為設計壓力。設計壓力與強化壓力為兩個不同的概念，設計壓力所反映的安全裕度為壓力容器使用過程中的，而強化壓力反映的安全裕度為強化處理過程中的。獲取強化壓力時，方法類似于塑性失穩壓力，進入有限元時間后處理器后，找出彈性應變值、塑性應變值，利用加法器相加這兩個數值后，得到的數值即為此應變量下的強化壓力。

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

2.1 延性斷裂實驗試樣

目前，材料延性斷裂研究中，用于表征應力狀態的參數為應力三軸度系數，為多數學者認可，具有較高的合理性。以應力三軸度系數、斷裂應變為變量，構建二者關系模型時，廣泛使用的試樣為缺口圓棒拉伸試樣，原因為該試樣具有比較簡單的模型，實驗參數比較容易測量，而且如果應力三軸度系數想獲取不同數值時，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，同時，選擇2個無缺口的圓棒試樣，直徑分別為9 mm和1 0 mm，加工時，每個半徑或直徑的圓棒各2個。

2.3 延性斷裂試驗

開展缺口圓棒拉伸實驗時，利用C MT 5 1 0 5萬能試驗機，控制位移，靜態加載過程中，加載速度控制在0.3 mm/mi n，采取標準中規定的方法進行，對實驗數據如實、準確的記錄。分析實驗結果時，為了保證分析結果的準確性，本文還進行了有限元分析，并對比這兩種分析結果。由分析結果可知，缺口圓棒半徑為0.2 5～2.0 mm時，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，塑性失穩破壞為試樣材料的失效模式。

2.4 應力三軸度系數與斷裂應變的關系

在分析奧氏體不銹鋼材料的這兩種參數之間的關系時，通過相應的公式及測量參數，經過計算后得出結果，由結果可知，隨著缺口圓棒試樣的缺口半徑的增加，應力三軸度系數不斷的減小，而斷裂應變值則逐漸的變大。

3 奧氏體不銹鋼壓力容器承載能力分析

實際上，奧氏體不銹鋼壓力容器的結構并非只是簡單的由筒體及封頭構成，密封裝置、開孔接管、安全附件等均為壓力容器的構成部件，容器結構具有比較高的復雜性。本文中以不同預應變量為背景，分析復雜結構的壓力容器的承載能力。

3.1 有限元數值模擬

狀態非線性、幾何非線性、材料非線性為造成結構非線性的三個主要原因。應變強化奧氏體不銹鋼壓力容器期間，塑性大變形會先后發生在局部結構不連續區、容器主體遠離不連續區，從而較為明顯的改變容器的幾何形狀，在進行有限元數值模擬時，幾何非線性為必須考慮的因素。同時，材料非線性問題中還應包含材料的本構模型。

3.2 非線性模擬

對應變強化過程模擬時，材料強化效應、容器塑性變形為需要考慮的因素，選擇材料模型時，應全面的考慮，以保證選擇的合理性，多線性等向強化模型比較適合。建立有限元模型過程中，數值模擬應以壓力容器的實際結構及尺寸為依據，以便于與實際情況相接近，將其實際承載能力較為準確的反映出來。實際上，圓筒容器模型的內徑為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，即可建立起有限元模型，并完成相應的計算。

3.3 結果分析

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

4 結語

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

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