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壓力容器安全裕度的影響因子探究

  
評論: 更新日期:2015年01月15日

 不同的預(yù)應(yīng)變量能夠?qū)υ嚰蛪毫θ萜鳟a(chǎn)生一定的影響,使之產(chǎn)生不同程度的塑性變形,但是,材料本身的強(qiáng)化效應(yīng)能夠在一定程度上彌補(bǔ)試件和壓力容器的塑性變形,降低容器塑性失穩(wěn)狀態(tài)下的載荷。對徑比為1.02到1.10范圍內(nèi)的容器,預(yù)變后容器的塑性失穩(wěn)壓力的影響甚小。同時考慮容器的塑性變形以及材料的強(qiáng)化效應(yīng)的改變情況,大約4%到12%的試件和容器的最小安全裕度會有常規(guī)的4.76降低到2.21。本次研究得到的最小安全裕度和國外相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)一致,這說明應(yīng)變強(qiáng)化對壓力容器安全裕度有較高的影響。
    1.應(yīng)變強(qiáng)化路徑對壓力容器塑性失穩(wěn)性的影響
    1.1不同情況的加載路徑試件的預(yù)拉伸試驗以及結(jié)果的數(shù)據(jù)分析
    本次試驗選取的試驗對象是四個相同的06Gr19Ni10材料試件,標(biāo)號分別為a、b、c、d,然后對試驗材料的矩形截面試件分別進(jìn)行不同路徑的預(yù)拉伸試驗,a試件拉伸程度為斷裂,b、c、d采用不同的拉伸力對其拉伸,使得試件發(fā)生部分塑性變形、卸載恢復(fù)、再拉伸直至材料斷裂,通過實驗比較各試件在不同預(yù)應(yīng)變下的拉伸承載能力,實驗結(jié)果如下所示:
 

試件編號 試件的厚度(mm) 第一次加載載荷 卸載后參與應(yīng)變 試件拉伸最大負(fù)荷與試件初始截面積比值(MPa)
a 6.00 798.25
b 6.00 86.98 0.10 779.19
c 6.00 120.39 0.14 758.12
d 6.00 107.56 0.85 780.01

    通過實驗數(shù)據(jù)分析可得,在不同加載路徑的情況下,也就是不同程度的應(yīng)變強(qiáng)化情況下,這些材料的極限承載能力的變化程度是不大的,說明不同加載路徑雖然能夠使得材料的失穩(wěn)點發(fā)生變化,但是對材料的極限承載能力的影響是微乎其微的。
    1.2有限元模擬試驗分析
    在實際情況中,影響壓力容器材料屬性的重要元素包括溫度,所以本次試驗針對的對象是壓力容器所處室溫應(yīng)變強(qiáng)生產(chǎn)塑性變形的實際加載情況。本次試驗選用的試驗方法是有限元模擬試驗方法,設(shè)定兩種加載方式。第一種為一次性加載使材料的塑性失穩(wěn)。第二種是分兩次加載,第一次加載時使材料達(dá)到塑性變形的目的,卸載后對材料進(jìn)行第二次加載,直接使材料的塑性失穩(wěn)。在模擬的過程中,壓力容器模型選擇為Ø350mm×8mm×18000mm的圓筒容器,通過查表可知厚度為8mm的06Gr19Ni10鋼板的實測應(yīng)變曲線。在此要注意,第二種加載方式的計算過程中要給容器施加0.10左右的6組預(yù)應(yīng)變,計算結(jié)果如下:
 

加載方式 預(yù)應(yīng)變量c 第一次加載載荷(Po/Mpa) 塑性失穩(wěn)壓(Pblin/Mpa) 最大環(huán)向應(yīng)變
第一種 0.00 24.78 0.387
 
 
第二種
0.02 15.23 24.69 0.352
0.04 16.32 24.79 0.322
0.06 17.35 24.91 0.301
0.08 18.75 24.76 0.289
0.10 19.29 24.77 0.278
0.12 20.64 24.70 0.257

    從實驗數(shù)據(jù)的分析中可以看出,在上述兩種加載方式的影響下,該壓力容器模型的材料塑性失穩(wěn)壓力基本沒有變化,而最大環(huán)向應(yīng)變卻隨著預(yù)應(yīng)變量的逐漸增大而減小等。
    總體來說,通過這個實驗可以得知,壓力容器的極限承載能力是不會隨著加載方式的變化而變化的,但是預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化容器的儲備卻會隨著預(yù)應(yīng)變量的增加而逐漸減小。
    2.壓力容器整體的塑性變形與壓力容器材料失穩(wěn)壓力的聯(lián)系
    在分析壓力容器的塑性失穩(wěn)壓力與預(yù)應(yīng)變量的聯(lián)系時,可以采用有限元分析法對其進(jìn)行試驗分析。在本次試驗中,壓力容器試驗?zāi)P偷某跏純?nèi)徑為350毫米,在試驗數(shù)據(jù)的分析計算過程中壓力容器的模型長度應(yīng)當(dāng)大于等于5倍的內(nèi)徑。根據(jù)實際情況,在現(xiàn)實中的應(yīng)變強(qiáng)化壓力容器一般都是薄壁容器,所以可以合理的將容器的徑比選擇在1.08左右,根據(jù)實驗要求則可以詳細(xì)取1.02、1.04、1.06、1.08、1.10五組數(shù)據(jù)。
    試驗完成之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析發(fā)現(xiàn),兩種模型的有限元的計算結(jié)果基本相當(dāng),在取上述五組數(shù)據(jù)的徑比情況下,塑性變形對壓力容器材料的失穩(wěn)壓力有一定的影響,壓力容器的模型在0.04到0.12的預(yù)應(yīng)變范圍內(nèi)塑性失穩(wěn)壓力的平均下降幅度最大為6.42%,是發(fā)生在預(yù)應(yīng)變量為0.08的情況下。 應(yīng)變強(qiáng)化會使得壓力容器的半徑逐漸變大,壁厚逐漸減小,但是材料的塑性失穩(wěn)壓力的下降幅度卻很小,這也說明材料的強(qiáng)化效應(yīng)在一定程度上對容器的尺寸改變做到了一定的彌補(bǔ)。
    通過數(shù)據(jù)的分析,不同的預(yù)應(yīng)變量能夠使容器產(chǎn)生不同的塑性變形,一段時間后在材料硬度的影響下容器的塑性變形會逐漸恢復(fù)。對于徑比為1.08的薄壁容器來說,容器壁厚對應(yīng)變強(qiáng)化后的容器塑性失穩(wěn)壓力的影響程度是很小的,如果在此對容器預(yù)應(yīng)變后容器外形的改變和材料應(yīng)力曲線改變的情況進(jìn)行分析,在4%至20%的預(yù)應(yīng)變后的最小安全裕度會明顯下降,與當(dāng)今時期最低安全裕度標(biāo)準(zhǔn)要求是相當(dāng)?shù)模C明應(yīng)變強(qiáng)化對壓力容器的安全裕度的影響效果是非常明顯的。應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)作為一種新的技術(shù),雖在一定程度上降低了容器材料的部分塑性,但是其也在一定程度上提高了材料的屈服強(qiáng)度。應(yīng)用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)之后,壓力容器的壁厚就會降低,這不僅能夠降低容器的重量,更重要的是能夠提高材料的利用效率。
 

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