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塑性載荷及安全裕度研究

陳思宇，趙榮

（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）

社會經濟在快速發展過程中，所能夠應用的能源數量正在快速下降，在這種情況下壓力容器輕型化設計就成為主要研究內容。壓力容器輕型化設計過程中的必然途徑就是壓力容器的分析設計與應變強化設計。伴隨著有限元非線性技術及塑形力學越加完善，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變強化設計過程中，需要將壓力容器材料所具有的強化效應及變形情況考慮在內，同時這種設計方法也是現階段世界范圍內最為先進的技術，應用前景十分廣闊。

彈塑性分析；奧氏體不銹鋼應變強華；載荷-變形；塑形失穩壓力；安全裕度

伴隨著科學技術與社會經濟快速發展，壓力容器開始在眾多領域內應用，并且取得了十分顯著的成果，核電、石油天然氣等等領域對于壓力容器設備需求數量在穩定增加，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。在低溫狀態下應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度較低，要是按照現有標準對其進行設計，就會造成奧氏體不銹鋼材料壓力容器內壁較厚，材料所具有的承載性能無法充分發揮出來，同時制造成本較為高昂，向輕型化建設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壓力解析式，都是在平面等比加載基礎上面所構建起來的，本文就以有限元模型作為基礎，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據信息輸入到電子文檔內，并且將載荷-應變數據的1%提取出來，這個數值就是塑形失穩下的數據。將這些數據都紀錄之后，就能夠在材料應力曲線內找到不同應力點所對應的數值，進而在將數據帶入到有關公式內，這樣也就形成了載荷分析式，有限元計算出來的載荷數值與解析式載荷數值之間就能夠進行分析對比。

（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值要大于解析式所計算出來的載荷數值，在這種情況下，有限元曲線就應該在解析式曲線的上面，伴隨著L/D數值在不斷提高的過程中，有限元計算出來的載荷數值與解析式計算出來的數值之間越加相同，誤差數值也就越小；要是L/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，這樣也就表示出現誤差的可能性較低，擁有較高的精確性。根據這種情況表示，要是應用解析式對圓筒載荷-變形關系計算過程中，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系的影響

圓筒主體應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，在不同應變點上面所具有的有限元與解析式的數值基本相同，要是應變在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，出現誤差的可能性較低。應變在相同的情況下，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，最好應用解析式進行計算，擁有較高的精確性，出現誤差可能性較低，圓筒內壁要是越薄，計算結果精確性也就越高。

1.2 圓筒長徑比對圓筒內壓塑形失穩壓力的影響

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

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行了解，就需要對于壓力容器進行一次非線性數值的分析研究，進而計算出壓力容器在不同應力變化之下所能夠承受的載荷及塑形失穩壓力數值。

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遠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。伴隨著應變數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值轉變為正值。L/D＞1的時候，應變數值要是相同，L/D數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，二者之間的誤差數值在1 5%，要是L/D數值在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數值要是相同，除了L/D=1的時候，應變數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。進而就可以發現，要是使用解析式對于圓筒安全裕度進行計算，在L/D=2或者3的時候，計算結果最為精準，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，安全裕度數值將不會發生任何改變，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生改變。

2.2 不同K值對圓筒安全裕度的影響

K值與應變不管是在何種狀態之下，解析式所計算出來的安全裕度都要遠遠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，應變要是調整1%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數值不會超過1.5，解析式所計算出來的安全裕度數值不會超過1.7；要是應變數值變為3%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數值不會超過1.2 5，解析式所計算出來的數值不會超過1.4 5；要是應變數值變為5%的時候，有限元所計算出來的安全裕度數值不會超過1.2，解析式所計算出來的安全裕度數值不會超過1.4。這些數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用，在出現塑性變形之后，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注。

3 結語

在對于壓力容器塑弾性分析設計過程中，雖然是將國家有關標準考慮在內，但是由于壓力容器所具有的設計理念十分先進，進而其擁有良好的發展前景，這樣對于壓力容器的設計及制造一定會造成較大的影響。我國在應變強技術上面的研究時間較短，但是由于其設計及制造流程較為簡單，已經在眾多領域內應用。應變強技術在實際應用過程中，能夠有效降低壓力容器在材料上面的經濟成本，實現節能減排。

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