压力容器安全系数许用应力VIP免费

作者邓阳春陈钢杨笑峰徐彤【摘要】压力容器安全系数与材料参数紧密相关，确定材料许用应力值时，需要同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理；奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时，需要特殊考虑。压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和降低成本，随着理论研究深入和科学实验的进步，压力容器安全系数有所降低，这是科学设计和实用成功经验结合的结果。【关键词】压力容器；材料；许用应力；标准；安全系数0引言压力容器广泛用于工业领域及日常生活领域，一旦破坏，往往造成灾难性事故。为确保公众安全，应用科学技术和使用经验，世界各国制订了压力容器标准，并通过法规等形式强制执行。合理选取材料许用应力值是保障压力容器安全、合理使用的科学基础。1914年，美国制定了世界上第一部压力容器标准，材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。直到1943年，英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。为保证压力容器安全，确定材料许用应力值时，同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理。奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时需特殊考虑。目前，确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs/ns，σb/nb，σD/nD，σn/nn}。其中，σs，σb，σD，σn分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度，在大多数工况下，压力容器材料主要考虑屈服强度和抗拉强度，在一定条件下，才需考虑材料蠕变强度和疲劳强度；ns，nb，nD，nn为安全系数。安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度，压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和经济考虑，压力容器安全系数有降低的趋势[1-2]。欧盟许多国家压力容器标准安全系数过去就较低，2002年制定了统一的压力容器标准，安全系数明显降低[3]。由于国际竞争等原因，美国机械工程师协会在对压力容器标准系统研究基础上，2007年将压力容器标准中的分析设计标准安全系数降低[4-5]。为保障压力容器安全性与经济性统一[6]，针对压力容器标准安全系数降低的国际趋势，笔者提出开展压力容器安全系数方面的研究，重点探讨压力容器材料屈服强度和抗拉强度及其相应的安全系数。1材料抗拉强度美国ASME于1914年制定了世界上第一部压力容器标准，压力容器材料许用应力值仅考虑材料抗拉强度。在20世纪30年代前，该方法为世界各国普遍接受。20世纪50—60年代，美国ASME针对当时欧洲许多国家压力容器标准材料许用应力值由材料屈服强度取代材料抗拉强度控制，为确定是否保留材料抗拉强度，研究材料趋势曲线(trendcurve)——实质为温度与材料性能的关系[7-8]。研究结论：在蠕变温度以下材料许用应力值仍由抗拉强度σb控制；引入屈服强度σs，同时保留抗拉强度σb。主要依据如下：1)局部应力主要由材料抗拉强度σb和材料硬化指数n控制。2)低周疲劳(5000次)，压力容器失效发生在应力集中系数较大部位，如压力容器接管处，属应变疲劳，按抗拉强度σb考虑更可靠。3)压力容器爆破压力与材料硬化指数n和塑性变形率有较大关系，与材料抗拉强度σb有较大关系，对于薄壁容器和低强度材料尤为明显。4)σs不确定：①弯曲试验屈服点不明显；②屈服点σ0.2选取较随意。2材料屈服强度在使用锅炉早期，几乎只有低碳钢材料。当时，ASME材料抗拉强度安全系数为5，蒸汽锅炉温度较低，低碳钢材料具有较好的延性。因而，按材料室温下抗拉强度进行设计，比较粗略的满足使用要求。然而，高效蒸汽循环需要高的工作温度，需要考虑材料高温下的特点。英国国家物理实验室进行了有价值的早期工作。产生了“弹性极限”概念，尽管当时没有标准规定，实际工作下“弹性极限”安全系数在1.75左右，使用低于以材料抗拉强度为基准的许用应力值[9]。二战前，英国已经获得各种材料在一定温度范围内的基本数据。20世纪40年代末，英国开始考虑屈服强...