基于失效模式的超高壓容器設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著工業(yè)技術(shù)和國民經(jīng)濟的發(fā)展，很多行業(yè)對壓力容器的需求呈現(xiàn)極端化趨勢，特別對超過100MPa的壓力容器（簡稱“超高壓容器”）需求日益增加。我國在役的超高壓容器數(shù)量已達數(shù)千臺，廣泛應(yīng)用于低密度聚（LDPE）乙烯、等靜壓技術(shù)、人造水晶、食品高壓殺菌、射流切割等領(lǐng)域。如在等靜壓（Isostatic Pressing）裝置中的加壓設(shè)備，超高壓水晶反應(yīng)釜，超高壓聚乙烯反應(yīng)器等。超高壓容器工作條件苛刻，工況往往都是高壓、高溫，還會伴隨著疲勞載荷作用

2、，失效事故屢有發(fā)生，造成了很大的經(jīng)濟損失、甚至人員傷亡。為保障超高壓容器的安全，同時考慮其在材料、設(shè)計、制造、檢測等方面的特殊要求，我國于上世紀(jì)90年代初曾單獨針對此類設(shè)備頒布了《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程（試行）》。規(guī)程在總體上對超高壓容器的建造提出了強制性的要求。然而在標(biāo)準(zhǔn)方面，我國目前的標(biāo)準(zhǔn)體系中還沒有針對超高壓容器建造的標(biāo)準(zhǔn)。工程上廣泛使用的JB4732《鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的壓力上限也僅為100MPa，而且JB4732采

3、用的設(shè)計理念也并不完全適用于超高壓容器。目前國內(nèi)超高壓容器建造，大都只能參考國外標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)設(shè)計手冊。這既制約了該領(lǐng)域的發(fā)展，又帶來安全隱患。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展了超高壓容器爆破壓力預(yù)測公式的精度和安全系數(shù)的研究。通過近百組參數(shù)化數(shù)值分析，結(jié)合文獻中數(shù)百組爆破試驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計工作，確定了精度最高的超高壓容器厚壁圓筒爆破壓力預(yù)測公式；并在此基礎(chǔ)上，通過對試驗數(shù)據(jù)的失效概率分析，并綜合考慮各種工程因素（檢驗技術(shù)、質(zhì)量管理、

4、材料性能等），對超高壓容器爆破安全系數(shù)的調(diào)整進行了深入研究。研究表明：目前廣泛使用的Faupel公式會高估高強鋼容器的爆破壓力，采用流變應(yīng)力公式預(yù)測超高壓容器爆破壓力具有更高的精度。對閉端厚壁圓筒結(jié)構(gòu)超高壓容器，將爆破安全系數(shù)從3調(diào)整至2.4，可在保證安全的同時實現(xiàn)輕量化。⑵建立了適用于國產(chǎn)炮鋼的本構(gòu)模型和斷裂應(yīng)變，為超高壓容器設(shè)計中引入塑性分析提供技術(shù)支撐。開展了國產(chǎn)炮鋼在各個溫度下的力學(xué)性能試驗，結(jié)果顯示國產(chǎn)炮鋼呈現(xiàn)多階段硬化的特性

5、；提出了基于 MPC的新的本構(gòu)模型，研究表明該模型可以較為精確地描述高強鋼在頸縮前的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，同時具有參數(shù)可以直接通過線性擬合獲得的優(yōu)點。設(shè)計并完成了帶不同缺口尺寸的拉伸試驗以獲得不同的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果顯示國產(chǎn)炮鋼的延性對應(yīng)力狀態(tài)十分敏感，只對材料伸長率和截面收縮率的要求是不夠完善的，獲得了國產(chǎn)炮鋼考慮應(yīng)力三軸度效應(yīng)的斷裂損傷模型；在此基礎(chǔ)上，建立了防止超高壓容器局部失效的應(yīng)變限制準(zhǔn)則。⑶獲得了我國超高壓容器的疲勞設(shè)計曲線，建立了考慮