壓力容器安全系數(shù)許用應(yīng)力

作者鄧陽(yáng)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(shí)，需要同時(shí)考慮材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度更為合理；奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應(yīng)變強(qiáng)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(shí)，需要特殊考慮。壓力容器安全系數(shù)的選取建立在經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)步，壓力容器安全系數(shù)有所降低，這是科學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)用成功經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；材料；許用應(yīng)力；標(biāo)準(zhǔn)；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(yàn)，世界各國(guó)制訂了壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)法規(guī)等形式強(qiáng)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(guó)制定了世界上第一部壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，材料許用應(yīng)力值僅以抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)。直到1943年，英國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)選取材料許用應(yīng)力值時(shí)首次引入材料屈服強(qiáng)度為基準(zhǔn)。為保證壓力容器安全，確定材料許用應(yīng)力值時(shí)，同時(shí)考慮材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度更為合理。奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應(yīng)變強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，在大多數(shù)工況下，壓力容器材料主要考慮屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，在一定條件下，才需考慮材料蠕變強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度；ns，nb，nD，nn為安全系數(shù)。

安全系數(shù)主要取決于人們對(duì)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(yàn)基礎(chǔ)上，隨著理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(jì)考慮，壓力容器安全系數(shù)有降低的趨勢(shì)[1-2]。

歐盟許多國(guó)家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)過(guò)去就較低，2002年制定了統(tǒng)一的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)明顯降低[3]。由于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)等原因，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在對(duì)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，2007年將壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)降低[4-5]。

為保障壓力容器安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一[6]，針對(duì)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)降低的國(guó)際趨勢(shì)，筆者提出開(kāi)展壓力容器安全系數(shù)方面的研究，重點(diǎn)探討壓力容器材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度及其相應(yīng)的安全系數(shù)。

1材料抗拉強(qiáng)度

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

20世紀(jì)50—60年代，美國(guó)ASME針對(duì)當(dāng)時(shí)歐洲許多國(guó)家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)材料許用應(yīng)力值由材料屈服強(qiáng)度取代材料抗拉強(qiáng)度控制，為確定是否保留材料抗拉強(qiáng)度，研究材料趨勢(shì)曲線(trendcurve)——實(shí)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(qiáng)度σb控制；引入屈服強(qiáng)度σs，同時(shí)保留抗拉強(qiáng)度σb。主要依據(jù)如下：

1)局部應(yīng)力主要由材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度σb有較大關(guān)系，對(duì)于薄壁容器和低強(qiáng)度材料尤為明顯。

4)σs不確定：

①?gòu)澢囼?yàn)屈服點(diǎn)不明顯；

②屈服點(diǎn)σ0.2選取較隨意。

2材料屈服強(qiáng)度

在使用鍋爐早期，幾乎只有低碳鋼材料。當(dāng)時(shí)，ASME材料抗拉強(qiáng)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diǎn)。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了有價(jià)值的早期工作。產(chǎn)生了“彈性極限”概念，盡管當(dāng)時(shí)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實(shí)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(qiáng)度為基準(zhǔn)的許用應(yīng)力值[9]。二戰(zhàn)前，英國(guó)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(jì)40年代末，英國(guó)開(kāi)始考慮屈服強(qiáng)度σs，同時(shí)保留抗拉強(qiáng)度σb，在屈服強(qiáng)度σs引入標(biāo)準(zhǔn)前，設(shè)計(jì)實(shí)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(guó)際商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

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

20世紀(jì)20—30年代，德國(guó)進(jìn)行材料塑性性能研究，主要根據(jù)使用溫度下屈服強(qiáng)度σs確定材料許用應(yīng)力，放棄考慮抗拉強(qiáng)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(qiáng)度σs，比較合理。因而很快被瑞典、挪威、捷克等許多歐洲國(guó)家引用。

由于僅考慮材料屈服強(qiáng)度，在商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)下，出現(xiàn)了片面追求高屈服強(qiáng)度σs的現(xiàn)象，材料韌性等優(yōu)良性能下降，塑性儲(chǔ)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(shí)際上確定材料許用應(yīng)力值時(shí)，間接考慮了材料抗拉強(qiáng)度的影響因素。

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

美國(guó)ASMEⅧ－12007[10]和ASMEⅧ－22007[5]和中國(guó)GB150—1998[11]和JB4732—1994[12]確定材料許用應(yīng)力值同時(shí)以材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，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(qiáng)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(jī)械性能。奧氏體不銹鋼材料抗拉強(qiáng)度很高，屈服強(qiáng)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(guó)采取不同措施提高奧氏體不銹鋼材料許用應(yīng)力值。

美國(guó)ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2針對(duì)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(jì)溫度下0.9σ0.2，高于σ0.2/ns。

德國(guó)對(duì)于奧氏體不銹鋼材料，屈服強(qiáng)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(qiáng)度值20%。同時(shí)，奧氏體不銹鋼材料屈服強(qiáng)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(jì)50—60年代被英國(guó)、挪威、瑞典、澳大利亞等許多歐洲國(guó)家采用。歐盟EN13445壓力容器標(biāo)準(zhǔn)采用該方法。

中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)奧氏體不銹鋼材料，常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150和應(yīng)力分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB4732在溫度大于100℃時(shí)，許用應(yīng)力值取值方法與美國(guó)ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2基本相同；但是，在低于100℃時(shí)，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(duì)于同類奧氏體不銹鋼材料，中國(guó)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(shí)科學(xué)技術(shù)水平限制，對(duì)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(jì)算基礎(chǔ)上，根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度值，除以安全系數(shù)，得到材料許用應(yīng)力取值時(shí)代入計(jì)算公式。安全系數(shù)主要作用為使用壓力容器時(shí)預(yù)留一定余量，以彌補(bǔ)理論漏洞和制造時(shí)無(wú)法檢測(cè)的缺陷。

安全系數(shù)是歷史遺留的產(chǎn)物，反應(yīng)人們對(duì)未知世界不確定因素，不得已而采用的保險(xiǎn)措施。雖然對(duì)安全使用壓力容器起到了促進(jìn)作用，但是，也可能阻礙壓力容器的技術(shù)進(jìn)步。雖然從壓力容器使用開(kāi)始，安全系數(shù)一直沿用至今，并且在今后很長(zhǎng)時(shí)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(shí)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(duì)壓力容器技術(shù)的要求；相反，通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，降低實(shí)用安全系數(shù)。由于力學(xué)理論深入，有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，測(cè)試技術(shù)進(jìn)步，對(duì)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(jìn)步，材料性能得到保障；無(wú)損檢測(cè)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(cè)水平規(guī)范提高等多方面的進(jìn)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(shí)際使用壓力容器時(shí)，對(duì)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(duì)設(shè)備安全性要求最高。

美國(guó)ASME第一版壓力容器標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)取為5。二戰(zhàn)期間，ASME將材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)降為4。1955年ASME版本，分析設(shè)計(jì)方法作為ASME壓力容器另一標(biāo)準(zhǔn)，分析進(jìn)一步完善，材料許用應(yīng)力值包含材料屈服強(qiáng)度等性能參數(shù)，材料抗拉強(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)降為3.5；ASMEⅧ－2壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用分安全系數(shù)方法，最大安全系數(shù)降為2.4。

中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)材料許用應(yīng)力值考慮抗拉強(qiáng)度，常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150—1998材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)降為3，應(yīng)力分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)JB4732—1994材料抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)降為2.7。

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

5壓力容器抵抗爆破實(shí)際安全系數(shù)

選取壓力容器材料許用應(yīng)力值時(shí)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(shí)際安全系數(shù)。壓力容器實(shí)際安全系數(shù)為爆破壓力值與按材料許用應(yīng)力計(jì)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(jì)算最大環(huán)向應(yīng)力，不超過(guò)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(duì)于碳鋼，材料許用應(yīng)力由材料抗拉強(qiáng)度決定，安全系數(shù)為nb。對(duì)于厚壁碳鋼材料容器比較適合。

B.F.Langer和W.L.Harding[15]對(duì)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(yàn)，分別依據(jù)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)，假設(shè)材料韌性足夠，得到壓力容器抵抗爆破實(shí)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(shí)際安全系數(shù)

6國(guó)內(nèi)外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)技術(shù)差別不大，針對(duì)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(shí)，選擇材料參數(shù)和安全系數(shù)有差別較大，導(dǎo)致同一臺(tái)壓力容器按不同標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，需要不同的厚度。

圖3不同標(biāo)準(zhǔn)所需容器厚度

下表為國(guó)外部分壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，以材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為基準(zhǔn)，均有理論依據(jù)，應(yīng)同時(shí)考慮。

2)壓力容器安全系數(shù)的選取建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，隨著理論研究和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(qiáng)化能力。歐盟EN13445—2002壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，并在歐洲有多年廣泛使用經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、合理。

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

5)世界各國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)總體設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)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(shí)，選擇材料參數(shù)和安全系數(shù)的差別較大。

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