技術(shù)支持
壓力容器法蘭鍛件失效與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
1、壓力容器鍛件失效形式
壓力容器鍛件的失效大致可分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效四大類。
①?gòu)?qiáng)度失效
因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效，包括韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蟠變斷裂、腐蝕斷裂等。壓力容器的斷裂就意味著爆炸或泄漏，危害極大。韌性斷裂和脆性斷裂是兩種常見(jiàn)典型斷裂形式。韌性斷裂的特征是斷后有肉眼可見(jiàn)的宏觀變形，如整體鼓脹，周長(zhǎng)延伸率可達(dá)10%?20%，基本無(wú)碎片，斷口與主應(yīng)力方向呈45%斷裂時(shí)應(yīng)力通常達(dá)到材料的強(qiáng)度極限。脆性斷裂的特征是斷裂時(shí)容器沒(méi)有鼓脹，即無(wú)明顯的塑性變形，其斷口齊平，并與最大應(yīng)力方向垂直，常呈碎片狀，危害大，斷裂時(shí)其應(yīng)力往往遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，故稱低應(yīng)力脆性斷裂。
②剛度失效
由于構(gòu)件過(guò)度的彈性變形引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天置立的塔在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過(guò)大的彎曲變形，會(huì)破壞塔的正常工作或塔體受到過(guò)大的彎曲應(yīng)力。
③失穩(wěn)失效
在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的破壞稱為失穩(wěn)失效。例如，承受外壓或真空的容器鍛件，就存在失穩(wěn)的可能性。
④泄漏失效
由于泄漏而引起的失效，稱為泄漏失效。例如密封面的泄漏及局部開(kāi)裂或穿孔引起的泄漏。
2、壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
表征壓力容器達(dá)到失效時(shí)的應(yīng)力或應(yīng)變等定量指標(biāo)，稱為失效判據(jù)。為防止容器發(fā)生失效，使其達(dá)到安全可靠，通常在失效判據(jù)中引入安全系數(shù)，從而得到與失效判據(jù)相對(duì)應(yīng)的強(qiáng) 度或剛度等計(jì)算式，這就是設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。同一種失效形式，可因表征其失效時(shí)的理論基礎(chǔ)及其力學(xué)性能參量不同，有時(shí)會(huì)有一個(gè)以上的失效判據(jù)，此時(shí)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則表達(dá)式也會(huì)相應(yīng)有幾種。例如彈性失效準(zhǔn)則就是這樣。
壓力容器鍛件技術(shù)發(fā)展至今，各國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范中已經(jīng)逐步形成如下的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：強(qiáng)度上防失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、安定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、蠕變?cè)O(shè)計(jì)準(zhǔn)則、低應(yīng)力脆斷設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。另外還有防剛度失效的位移設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及泄漏失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。而在各種失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中，傳統(tǒng)和至今仍應(yīng)用最普遍的是彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。我國(guó)GB150也是采用彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
我國(guó)大多壓力容器鍛件采用常規(guī)法設(shè)計(jì)，其相應(yīng)的強(qiáng)制性通用標(biāo)準(zhǔn)為GB150;而某些特殊要求壓力容器采用應(yīng)力分析法設(shè)計(jì)，其相應(yīng)強(qiáng)制性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為JB4732。GB150和JB4732 分別代表了不同的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)理念，應(yīng)注意和理解二者間的區(qū)別。
①設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不同前者采用彈性及失穩(wěn)失效準(zhǔn)則；而后者采用彈塑性、塑性和疲勞失效準(zhǔn)則等。
②應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算方法不同前者以材料力學(xué)及板殼理論的平均薄膜應(yīng)力為基礎(chǔ)，對(duì)局部高應(yīng)力給予應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，以最大主應(yīng)力理論計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度；而后者以板殼理論與彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分類，按最大切應(yīng)力理論進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算。
③應(yīng)力強(qiáng)度限制條件不同前者應(yīng)力不加區(qū)別，均以限制；后者按不同性質(zhì)應(yīng)力區(qū)別對(duì)待，以不同安全系數(shù)進(jìn)行限制。
④適用條件不同前者限標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的壓力容器通用結(jié)構(gòu)，壓力不大于35MPa，不適用疲勞設(shè)計(jì)；而后者適用于各種壓力容器結(jié)構(gòu)，壓力可達(dá)100MPa,可用于疲勞設(shè)計(jì)。
分析法設(shè)計(jì)的壓力容器鍛件，壁厚較小，節(jié)省材料，并能保證在各種苛刻條件下長(zhǎng)期安全運(yùn)行，但其設(shè)計(jì)工作量大，對(duì)材料、制造、檢驗(yàn)及運(yùn)行操作條件要求更為嚴(yán)格。因此，分析設(shè)計(jì)目前僅在具有特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)或承受疲勞破壞載荷及某些大型高壓容器的設(shè)計(jì)中考慮采用，而大多通用壓力容器仍采用常規(guī)法設(shè)計(jì)。
