奥氏体不锈钢压力容器的应变强化承载能力研究

2017-01-20陈小宁周吉军

中国设备工程 2017年4期

关键词：圆筒筒体奥氏体

陈小宁，周吉军

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

奥氏体不锈钢压力容器的应变强化承载能力研究

陈小宁，周吉军

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

在压力容器发展过程中，一个重要的课题为如何使轻型化设计中并重安全与经济。随着美国及欧盟制定的压力容器标准中纳入弹塑性分析设计方法，奥氏体不锈钢压力容器在开展轻型化设计时，逐渐应用于弹塑性分析设计为基础的应变强化技术，发展前景十分广阔。利用应变强化技术设计奥氏体不锈钢压力容器后，屈服强度可显著提升，壁厚及压力容器的重量降低，有效的实现节能减排。本文重点分析了基于应变强化技术设计的奥氏体不锈钢压力容器的承载能力。

奥氏体不锈钢；压力容器；应变强化；承载能力

压力容器主要的应用领域为石油行业、核电行业、低温工程等，近年来，随着这些领域的良好发展，也提升了对压力容器的需求。制造低温容器时，采用的主要原料为奥氏体不锈钢，此种材料的低温冲击韧性良好，属于较为理想的制造材料，但在设计低温容器过程中，由于此种材料并不具备高的屈服强度及抗拉强度，导致压力容器具有比较大的壁厚及安全裕度，一定程度上提升了制造成本。采用轻型化设计方法后，有效的解决了这一存在的问题，并提升了压力容器的承载能力，本文即对其承载能力进行研究。

1 压力容器内压塑性失稳压力与安全裕度

与常规设计方法相比，压力容器应用应变强化技术设计时，可显著减小壁厚，但经强化后，容器结构塑性较为明显的发生变形，一定程度上降低了材料的塑性储备，而且也不能完全明确压力容器的实际承载能力、安全裕度与使用要求是否满足。以往研究压力容器实际承载能力、塑性失稳压力、安全裕度的方法均存在一定的不足，本文结合弹塑性分析方法及有限元模拟方法，分析圆筒塑性失稳压力受到圆筒长度及壁厚的影响，并分析球壳塑性失稳压力受到壁厚的影响，之后求解出安全裕度。

1.1 有限元模型

奥氏体不锈钢材料在壁厚容器建造中比较少用，本文中以薄壁容器为模型，建立有限元模型。圆筒有限元模型共建立1 2个，容器内径均为5 0 0 mm，其中6个模型的长度与内径比为1～6 mm，另外6个长度与内径比均为4 mm，但径比由1.0 2～1.2 mm。球壳有限元模型建立6个，容器内径均为5 0 0 mm，径比由1.0 2～1.2 mm。计算时，为了将计算量减少，建立圆筒及球壳模对称模型时，分别采用长度方向1/2结构及整体1/4结构。

1.2 计算塑性失稳压力

第一，分析圆筒内压塑性失稳压力受到筒体长度的影响。该分析以长度与内径比为1～6 mm的6个圆筒有限元模型为基础，经过计算发现，筒体长度增加过程中，有限元解逐渐降低，即逐渐减小塑性失稳压力，这说明减弱了封头的强化作用，筒体长度与内径比达到3 mm后，即使数值再提升，塑性失稳压力也不会继续降低，此时，即可忽略封头的强化作用产生的变化。第二，分析圆筒内压塑性失稳压力受到筒体厚度的影响。由分析结果可知，径比比值不断提升时，有限元模型解也逐渐提高，即提高塑性失稳压力，二者呈正相关。第三，分析球壳内压塑性失稳压力受到壳体厚度的影响。通过前文建立的6个球壳有限元模型，经计算及分析可知，随着径比的增加，有限元解逐渐增大，即球壳厚度提升过程中，塑性失稳压力也不断的增大。

1.3 预应变下计算安全裕度

通常，表示压力容器安全裕度时采用的方式为爆破压力与设计压力之间的比值，但在利用应变强化技术设计的压力容器中，塑性失稳压力近似于爆破压力，而设计压力则包含两种，一种产生于强化处理时，为预应变下的强化压力，另一种产生于实际使用时，为设计压力。设计压力与强化压力为两个不同的概念，设计压力所反映的安全裕度为压力容器使用过程中的，而强化压力反映的安全裕度为强化处理过程中的。获取强化压力时，方法类似于塑性失稳压力，进入有限元时间后处理器后，找出弹性应变值、塑性应变值，利用加法器相加这两个数值后，得到的数值即为此应变量下的强化压力。

2 考虑材料延伸断裂的压力容器局部破坏研究

对于压力容器来说，其实际承载能力会受到局部破坏压力的严重影响，因此，在研究奥氏体不锈钢压力容器的承载能力时，还需要研究局部破坏压力，本文研究压力容器局部破坏时，以材料延伸断裂作为考虑因素之一。

2.1 延性断裂实验试样

目前，材料延性断裂研究中，用于表征应力状态的参数为应力三轴度系数，为多数学者认可，具有较高的合理性。以应力三轴度系数、断裂应变为变量，构建二者关系模型时，广泛使用的试样为缺口圆棒拉伸试样，原因为该试样具有比较简单的模型，实验参数比较容易测量，而且如果应力三轴度系数想获取不同数值时，对缺口半径尺寸做出改变即可。

2.2 试样尺寸及拉伸性能

本文中，以3 0 4奥氏体不锈钢作为试样材料，加工之后，测定每个样条的原始尺寸，并检测其拉伸性能。利用B r i d g ma n模型试样作为缺口圆棒试样，缺口半径0.2 5～3.0 mm，共7个，同时，选择2个无缺口的圆棒试样，直径分别为9 mm和1 0 mm，加工时，每个半径或直径的圆棒各2个。

2.3 延性断裂试验

开展缺口圆棒拉伸实验时，利用C MT 5 1 0 5万能试验机，控制位移，静态加载过程中，加载速度控制在0.3 mm/mi n，采取标准中规定的方法进行，对实验数据如实、准确的记录。分析实验结果时，为了保证分析结果的准确性，本文还进行了有限元分析，并对比这两种分析结果。由分析结果可知，缺口圆棒半径为0.2 5～2.0 mm时，延性断裂破坏为试样材料的失效模式，缺口圆棒半径为2.5 mm、3.0 mm时，塑性失稳破坏为试样材料的失效模式。

2.4 应力三轴度系数与断裂应变的关系

在分析奥氏体不锈钢材料的这两种参数之间的关系时，通过相应的公式及测量参数，经过计算后得出结果，由结果可知，随着缺口圆棒试样的缺口半径的增加，应力三轴度系数不断的减小，而断裂应变值则逐渐的变大。

3 奥氏体不锈钢压力容器承载能力分析

实际上，奥氏体不锈钢压力容器的结构并非只是简单的由筒体及封头构成，密封装置、开孔接管、安全附件等均为压力容器的构成部件，容器结构具有比较高的复杂性。本文中以不同预应变量为背景，分析复杂结构的压力容器的承载能力。

3.1 有限元数值模拟

状态非线性、几何非线性、材料非线性为造成结构非线性的三个主要原因。应变强化奥氏体不锈钢压力容器期间，塑性大变形会先后发生在局部结构不连续区、容器主体远离不连续区，从而较为明显的改变容器的几何形状，在进行有限元数值模拟时，几何非线性为必须考虑的因素。同时，材料非线性问题中还应包含材料的本构模型。

3.2 非线性模拟

对应变强化过程模拟时，材料强化效应、容器塑性变形为需要考虑的因素，选择材料模型时，应全面的考虑，以保证选择的合理性，多线性等向强化模型比较适合。建立有限元模型过程中，数值模拟应以压力容器的实际结构及尺寸为依据，以便于与实际情况相接近，将其实际承载能力较为准确的反映出来。实际上，圆筒容器模型的内径为5 0 0 mm，筒体、封头的壁厚及开孔接管壁厚均分别为5 mm、1 0 mm；球形容器模型的内径为5 0 mm，球壳壁厚5 mm，球壳接管壁厚1 0 mm。由上述参数，即可建立起有限元模型，并完成相应的计算。

3.3 结果分析

强化压力下，由应力应变云图可知，在圆筒容器主体部位，实施应变强化时，当应力达到4 1 0 MP a，筒体、接管部位的应力显著高于此数值，达到最大，可见，应变强化处理圆筒容器时，先进入塑性阶段的为筒体及接管，主体部位的等效应力达到一定时，最为危险的区域即为筒体及接管，球形容器情况与圆筒容器类似。极限荷载下，由应力应变云图可知，应变强化处理时，圆筒容器及球形容器爆破失效首先发生的区域均为接管与筒体、球壳连接区域。通过以上分析发现，无论强化压力下，或是极限荷载下，压力容器应力应变集中的部位均为开孔接管连接主体部位的区域，爆破可能先发生于此部位，与主体部位等效应变相比，此部位约为其2倍，这说明，应变强化处理奥氏体不锈钢压力容器时，应控制局部应变集中系数不超过2。