壓力容器安全系數(shù)許用應(yīng)力

作者鄧陽春陳鋼楊笑峰徐彤

【摘要】壓力容器安全系數(shù)與材料參數(shù)緊密相關(guān)，確定材料許用應(yīng)力值時，需要同時考慮材料抗拉強度和屈服強度更為合理；奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應(yīng)變強化能力和韌性，為充分發(fā)揮奧氏體不銹鋼材料優(yōu)良性能，選取奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值時，需要特殊考慮。壓力容器安全系數(shù)的選取建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，在保障壓力容器安全性前提條件下，為節(jié)省材料和降低成本，隨著理論研究深入和科學(xué)實驗的進步，壓力容器安全系數(shù)有所降低，這是科學(xué)設(shè)計和實用成功經(jīng)驗結(jié)合的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；材料；許用應(yīng)力；標準；安全系數(shù)

0引言

壓力容器廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域及日常生活領(lǐng)域，一旦破壞，往往造成災(zāi)難性事故。為確保公眾安全，應(yīng)用科學(xué)技術(shù)和使用經(jīng)驗，世界各國制訂了壓力容器標準，并通過法規(guī)等形式強制執(zhí)行。合理選取材料許用應(yīng)力值是保障壓力容器安全、合理使用的科學(xué)基礎(chǔ)。

1914年，美國制定了世界上第一部壓力容器標準，材料許用應(yīng)力值僅以抗拉強度為基準。直到1943年，英國壓力容器標準選取材料許用應(yīng)力值時首次引入材料屈服強度為基準。為保證壓力容器安全，確定材料許用應(yīng)力值時，同時考慮材料抗拉強度和屈服強度更為合理。奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應(yīng)變強化能力和韌性，為充分發(fā)揮奧氏體不銹鋼材料優(yōu)良性能，選取奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值時需特殊考慮。

目前，確定壓力容器材料許用應(yīng)力值一般取min{σs/ns，σb/nb，σD/nD，σn/nn}。其中，σs，σb，σD，σn分別為材料的屈服強度、抗拉強度、蠕變強度和疲勞強度，在大多數(shù)工況下，壓力容器材料主要考慮屈服強度和抗拉強度，在一定條件下，才需考慮材料蠕變強度和疲勞強度；ns，nb，nD，nn為安全系數(shù)。

安全系數(shù)主要取決于人們對客觀規(guī)律的理解程度和設(shè)備發(fā)生事故的危害程度，壓力容器安全系數(shù)的選取建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，隨著理論研究和科學(xué)實驗的進步，在保障壓力容器安全性前提條件下，為節(jié)省材料和經(jīng)濟考慮，壓力容器安全系數(shù)有降低的趨勢[1-2]。

歐盟許多國家壓力容器標準安全系數(shù)過去就較低，2002年制定了統(tǒng)一的壓力容器標準，安全系數(shù)明顯降低[3]。由于國際競爭等原因，美國機械工程師協(xié)會在對壓力容器標準系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，2007年將壓力容器標準中的分析設(shè)計標準安全系數(shù)降低[4-5]。

為保障壓力容器安全性與經(jīng)濟性統(tǒng)一[6]，針對壓力容器標準安全系數(shù)降低的國際趨勢，筆者提出開展壓力容器安全系數(shù)方面的研究，重點探討壓力容器材料屈服強度和抗拉強度及其相應(yīng)的安全系數(shù)。

1材料抗拉強度

美國ASME于1914年制定了世界上第一部壓力容器標準，壓力容器材料許用應(yīng)力值僅考慮材料抗拉強度。在20世紀30年代前，該方法為世界各國普遍接受。

20世紀50—60年代，美國ASME針對當(dāng)時歐洲許多國家壓力容器標準材料許用應(yīng)力值由材料屈服強度取代材料抗拉強度控制，為確定是否保留材料抗拉強度，研究材料趨勢曲線(trendcurve)——實質(zhì)為溫度與材料性能的關(guān)系[7-8]。研究結(jié)論：在蠕變溫度以下材料許用應(yīng)力值仍由抗拉強度σb控制；引入屈服強度σs，同時保留抗拉強度σb。主要依據(jù)如下：

1)局部應(yīng)力主要由材料抗拉強度σb和材料硬化指數(shù)n控制。

2)低周疲勞(5000次)，壓力容器失效發(fā)生在應(yīng)力集中系數(shù)較大部位，如壓力容器接管處，屬應(yīng)變疲勞，按抗拉強度σb考慮更可靠。

3)壓力容器爆破壓力與材料硬化指數(shù)n和塑性變形率有較大關(guān)系，與材料抗拉強度σb有較大關(guān)系，對于薄壁容器和低強度材料尤為明顯。

4)σs不確定：

①彎曲試驗屈服點不明顯；

②屈服點σ0.2選取較隨意。

2材料屈服強度

在使用鍋爐早期，幾乎只有低碳鋼材料。當(dāng)時，ASME材料抗拉強度安全系數(shù)為5，蒸汽鍋爐溫度較低，低碳鋼材料具有較好的延性。因而，按材料室溫下抗拉強度進行設(shè)計，比較粗略的滿足使用要求。

然而，高效蒸汽循環(huán)需要高的工作溫度，需要考慮材料高溫下的特點。英國國家物理實驗室進行了有價值的早期工作。產(chǎn)生了“彈性極限”概念，盡管當(dāng)時沒有標準規(guī)定，實際工作下“彈性極限”安全系數(shù)在1.75左右，使用低于以材料抗拉強度為基準的許用應(yīng)力值[9]。二戰(zhàn)前，英國已經(jīng)獲得各種材料在一定溫度范圍內(nèi)的基本數(shù)據(jù)。20世紀40年代末，英國開始考慮屈服強度σs，同時保留抗拉強度σb，在屈服強度σs引入標準前，設(shè)計實質(zhì)上已考慮材料的屈服性能。主要由于：

①高溫安全性能考慮；

②國際商業(yè)競爭。

1943年，英國BS1113水管鍋爐標準采納了“彈性極限”概念，將材料屈服強度引入確定材料許用應(yīng)力值。由于采用先進技術(shù)和連續(xù)有益的經(jīng)驗，材料屈服強度安全系數(shù)較低，材料抗拉強度安全系數(shù)降低。在500F以上，實際許用應(yīng)力值選取比僅以材料抗拉強度為基準的許用應(yīng)力值低。

20世紀20—30年代，德國進行材料塑性性能研究，主要根據(jù)使用溫度下屈服強度σs確定材料許用應(yīng)力，放棄考慮抗拉強度σb。

由于壓力容器主要以線彈性理論為基礎(chǔ)，考慮屈服強度σs，比較合理。因而很快被瑞典、挪威、捷克等許多歐洲國家引用。

由于僅考慮材料屈服強度，在商業(yè)利益驅(qū)動下，出現(xiàn)了片面追求高屈服強度σs的現(xiàn)象，材料韌性等優(yōu)良性能下降，塑性儲備降低。為了控制不利于壓力容器質(zhì)量的安全因素，采取限制σs/σb的措施。實際上確定材料許用應(yīng)力值時，間接考慮了材料抗拉強度的影響因素。

歐盟EN13445—2002壓力容器標準[3]規(guī)定材料許用應(yīng)力值以材料屈服強度為基準，未考慮抗拉強度值。但對壓力容器材料屈服強度與抗拉強度的比值有一定限制。

美國ASMEⅧ－12007[10]和ASMEⅧ－22007[5]和中國GB150—1998[11]和JB4732—1994[12]確定材料許用應(yīng)力值同時以材料屈服強度和抗拉強度為基準，分別除以相應(yīng)的安全系數(shù)，結(jié)果取其小值。

3不銹鋼材料

奧氏體不銹鋼材料具有非常好的韌性和非常高的應(yīng)變強化能力，具有很好的高溫性能、低溫性能、抗腐蝕性能，具有非常優(yōu)良的綜合機械性能。奧氏體不銹鋼材料抗拉強度很高，屈服強度較低。按碳鋼方法確定材料許用應(yīng)力值往往導(dǎo)致奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值偏低，不能充分發(fā)揮材料承載能力。為此，世界各國采取不同措施提高奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值。

美國ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2針對奧氏體不銹鋼材料規(guī)定，壓力容器如果容許少量變形，許用應(yīng)力值最高可取設(shè)計溫度下0.9σ0.2，高于σ0.2/ns。

德國對于奧氏體不銹鋼材料，屈服強度一直按σ1.0取值[13]。一般，σ1.0比σ0.2高40MPa，如304材料將提高屈服強度值20%。同時，奧氏體不銹鋼材料屈服強度安全系數(shù)較碳鋼材料低。材料許用應(yīng)力值比ASME高。該方法在20世紀50—60年代被英國、挪威、瑞典、澳大利亞等許多歐洲國家采用。歐盟EN13445壓力容器標準采用該方法。

中國壓力容器標準針對奧氏體不銹鋼材料，常規(guī)設(shè)計標準GB150和應(yīng)力分析設(shè)計標準JB4732在溫度大于100℃時，許用應(yīng)力值取值方法與美國ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2基本相同；但是，在低于100℃時，奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值取值與碳鋼許用應(yīng)力值取值方法相同，導(dǎo)致對于同類奧氏體不銹鋼材料，中國奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值最低。

4壓力容器材料安全系數(shù)

在壓力容器使用初期，由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)水平限制，對壓力容器研究不完善，為了滿足使用需要，保障安全，按理論計算基礎(chǔ)上，根據(jù)材料抗拉強度值，除以安全系數(shù)，得到材料許用應(yīng)力取值時代入計算公式。安全系數(shù)主要作用為使用壓力容器時預(yù)留一定余量，以彌補理論漏洞和制造時無法檢測的缺陷。

安全系數(shù)是歷史遺留的產(chǎn)物，反應(yīng)人們對未知世界不確定因素，不得已而采用的保險措施。雖然對安全使用壓力容器起到了促進作用，但是，也可能阻礙壓力容器的技術(shù)進步。雖然從壓力容器使用開始，安全系數(shù)一直沿用至今，并且在今后很長時間將繼續(xù)保留，但是，安全系數(shù)存在并不一定合理。從材料和力學(xué)角度考慮，由于材料取值時存在安全系數(shù)，導(dǎo)致增加壓力容器厚度，壓力容器受力狀態(tài)惡化，并影響焊接質(zhì)量。

不能依靠安全系數(shù)而降低對壓力容器技術(shù)的要求；相反，通過技術(shù)進步，降低實用安全系數(shù)。由于力學(xué)理論深入，有限元技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展，測試技術(shù)進步，對壓力容器力學(xué)研究日益完善；材料冶煉水平和制造加工水平進步，材料性能得到保障；無損檢測技術(shù)發(fā)展，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力和可靠性大大提高；管理和監(jiān)測水平規(guī)范提高等多方面的進步和成果……。使壓力容器安全系數(shù)的取值出現(xiàn)逐漸降低可能。實際使用壓力容器時，對核容器安全性要求往往更高，但是，核壓力容器安全系數(shù)反而比民用壓力容器的安全系數(shù)更低；航天工業(yè)努力減輕設(shè)備重量，不能容忍高的安全系數(shù)，然而，航天工業(yè)對設(shè)備安全性要求最高。

美國ASME第一版壓力容器標準安全系數(shù)取為5。二戰(zhàn)期間，ASME將材料抗拉強度安全系數(shù)降為4。1955年ASME版本，分析設(shè)計方法作為ASME壓力容器另一標準，分析進一步完善，材料許用應(yīng)力值包含材料屈服強度等性能參數(shù)，材料抗拉強度安全系數(shù)降為3.5。

2007年版本ASMEⅧ－1壓力容器常規(guī)設(shè)計標準，材料抗拉強度安全系數(shù)降為3.5；ASMEⅧ－2壓力容器分析設(shè)計標準，采用分安全系數(shù)方法，最大安全系數(shù)降為2.4。

中國壓力容器標準材料許用應(yīng)力值考慮抗拉強度，常規(guī)設(shè)計標準GB150—1998材料抗拉強度安全系數(shù)降為3，應(yīng)力分析設(shè)計標準JB4732—1994材料抗拉強度安全系數(shù)降為2.7。

歐盟EN13445—2002壓力容器標準[3]采用分安全系數(shù)方法，材料抗拉強度安全系數(shù)最大取2.4。

5壓力容器抵抗爆破實際安全系數(shù)

選取壓力容器材料許用應(yīng)力值時的安全系數(shù)相當(dāng)于理論上的安全系數(shù)，不同于壓力容器抵抗爆破實際安全系數(shù)。壓力容器實際安全系數(shù)為爆破壓力值與按材料許用應(yīng)力計算的壓力值之比。

B.F.Langer[14]指出ASME規(guī)范圓筒體和球體在內(nèi)壓下所需厚度采用Lame公式計算最大環(huán)向應(yīng)力，不超過材料許用應(yīng)力，因而，暗示規(guī)范具有爆破安全系數(shù)同材料許用應(yīng)力的安全系數(shù)。對于碳鋼，材料許用應(yīng)力由材料抗拉強度決定，安全系數(shù)為nb。對于厚壁碳鋼材料容器比較適合。

B.F.Langer和W.L.Harding[15]對3種如圖1所示不同硬化指數(shù)的材料壓力容器爆破試驗，分別依據(jù)抗拉強度和屈服強度設(shè)計，假設(shè)材料韌性足夠，得到壓力容器抵抗爆破實際安全系數(shù)如圖2所示。

圖1幾種材料應(yīng)力—應(yīng)變特性

圖2壓力容器抵抗爆破實際安全系數(shù)

6國內(nèi)外壓力容器標準選取材料許用應(yīng)力值的方法和安全系數(shù)比較

世界各國壓力容器標準總體設(shè)計原則和設(shè)計技術(shù)差別不大，針對壓力容器局部結(jié)構(gòu)有少量差別，但是選取材料許用應(yīng)力值時，選擇材料參數(shù)和安全系數(shù)有差別較大，導(dǎo)致同一臺壓力容器按不同標準制造，壓力容器厚度相差較大。

如圖3所示[16]，同一條件的容器，采用同樣的材料，采用不同的標準，需要不同的厚度。

圖3不同標準所需容器厚度

下表為國外部分壓力容器標準材料許用應(yīng)力值選取方法和安全系數(shù)，其中，選取奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值的方法和安全系數(shù)差別較大。

部分國內(nèi)外壓力容器標準材料許用應(yīng)力值選取方法和安全系數(shù)表

注：F為碳鋼，A為奧氏體不銹鋼，δ為延伸率

7結(jié)論

1)確定壓力容器材料許用應(yīng)力值時，以材料的屈服強度和抗拉強度為基準，均有理論依據(jù)，應(yīng)同時考慮。

2)壓力容器安全系數(shù)的選取建立在經(jīng)驗基礎(chǔ)上，隨著理論研究和科學(xué)實驗的進步，在保障壓力容器安全性前提條件下，壓力容器安全系數(shù)逐步降低，節(jié)省材料。

3)奧氏體不銹鋼材料有非常大的應(yīng)變強化能力。歐盟EN13445—2002壓力容器標準奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力選取方法和安全系數(shù)，建立在理論研究和實驗研究基礎(chǔ)上，并在歐洲有多年廣泛使用經(jīng)驗，經(jīng)濟、實用、合理。

4)壓力容器抵抗爆破實際安全系數(shù)不同于選取材料許用應(yīng)力時的安全系數(shù)。

5)世界各國壓力容器標準總體設(shè)計原則和設(shè)計技術(shù)差別不大，局部結(jié)構(gòu)有少量差別，但選取材料許用應(yīng)力值時，選擇材料參數(shù)和安全系數(shù)的差別較大。

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