壓力容器安全系數(shù)許用應(yīng)力

1、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(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

2、功經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的結(jié)果?！娟P(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)，世界各國制訂了壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，并通過法規(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，英國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)選取材料許用應(yīng)力值時(shí)首次引

3、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minσsns，σbnb，σDnD，σnnn。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

4、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[12]。歐盟許多國家壓力容器標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)過去就較低，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]。由于國際競爭等

5、原因，美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)在對壓力容器標(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[45]。為保障壓力容器安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一[6]，針對壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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(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

6、界各國普遍接受。捷克等許多歐洲國家引用。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σsσb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

7、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(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

8、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(jì)溫度下0.9σ0.2，高于σ0.2ns。德國對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

9、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、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(biāo)準(zhǔn)采用該方法。中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)針對奧氏體不銹鋼材料，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)致對于同類奧氏體不銹鋼

10、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(shí)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(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(xiǎn)措施。雖然對安全使用壓力容器起到了