壓力容器安全系數許用應力

1、作者鄧陽春陳鋼楊笑峰徐彤【摘要】壓力容器安全系數與材料參數緊密相關，確定材料許用應力值時，需要同時考慮材料抗拉強度和屈服強度更為合理；奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應變強化能力和韌性，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力值時，需要特殊考慮。壓力容器安全系數的選取建立在經驗基礎上，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實驗的進步，壓力容器安全系數有所降低，這是科學設計和實用成

2、功經驗結合的結果?！娟P鍵詞】壓力容器；材料；許用應力；標準；安全系數0引言壓力容器廣泛用于工業(yè)領域及日常生活領域，一旦破壞，往往造成災難性事故。為確保公眾安全，應用科學技術和使用經驗，世界各國制訂了壓力容器標準，并通過法規(guī)等形式強制執(zhí)行。合理選取材料許用應力值是保障壓力容器安全、合理使用的科學基礎。1914年，美國制定了世界上第一部壓力容器標準，材料許用應力值僅以抗拉強度為基準。直到1943年，英國壓力容器標準選取材料許用應力值時首次引

3、入材料屈服強度為基準。為保證壓力容器安全，確定材料許用應力值時，同時考慮材料抗拉強度和屈服強度更為合理。奧氏體不銹鋼材料具有非常好的應變強化能力和韌性，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力值時需特殊考慮。目前，確定壓力容器材料許用應力值一般取minσsns，σbnb，σDnD，σnnn。其中，σs，σb，σD，σn分別為材料的屈服強度、抗拉強度、蠕變強度和疲勞強度，在大多數工況下，壓力容器材料主要考慮屈服強度

4、和抗拉強度，在一定條件下，才需考慮材料蠕變強度和疲勞強度；ns，nb，nD，nn為安全系數。安全系數主要取決于人們對客觀規(guī)律的理解程度和設備發(fā)生事故的危害程度，壓力容器安全系數的選取建立在經驗基礎上，隨著理論研究和科學實驗的進步，在保障壓力容器安全性前提條件下，為節(jié)省材料和經濟考慮，壓力容器安全系數有降低的趨勢[12]。歐盟許多國家壓力容器標準安全系數過去就較低，2002年制定了統(tǒng)一的壓力容器標準，安全系數明顯降低[3]。由于國際競爭等

5、原因，美國機械工程師協(xié)會在對壓力容器標準系統(tǒng)研究基礎上，2007年將壓力容器標準中的分析設計標準安全系數降低[45]。為保障壓力容器安全性與經濟性統(tǒng)一[6]，針對壓力容器標準安全系數降低的國際趨勢，筆者提出開展壓力容器安全系數方面的研究，重點探討壓力容器材料屈服強度和抗拉強度及其相應的安全系數。1材料抗拉強度美國ASME于1914年制定了世界上第一部壓力容器標準，壓力容器材料許用應力值僅考慮材料抗拉強度。在20世紀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度，在商業(yè)利益驅動下，出現了片面追求高屈服強度σs的現象，材料韌性等優(yōu)良性能下降，塑性儲備降低。為了控制不利于壓力容器質量的安全因素，采取限制σsσb的措施。實際上確定材料許用應力值時，間接考慮了材料抗拉強度的影響因素。歐盟EN13445—2002壓力容器標準[3]規(guī)定材料許用應力值以材料屈服強度為基準，未考慮抗拉強度值。但對壓力容器材料屈服強度與抗拉強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]確定材料許用應力值同時以材料屈服強度和抗拉強度為基準，分別除以相應的安全系數，結果取其小值。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變強化能力，具有很好的高溫性能、低溫性能、抗腐蝕性能，具有非常優(yōu)良的綜合機械性能。奧氏體不銹鋼材料抗拉強度很高，屈服強度較低。按碳鋼方法確定材料許用應力值往往導致奧氏

8、體不銹鋼材料許用應力值偏低，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，許用應力值最高可取設計溫度下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材料將提高屈服強度值20%。同時，奧氏體不銹鋼材料屈服強度安全系數較碳鋼

9、材料低。材料許用應力值比ASME高。該方法在20世紀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壓力容器標準采用該方法。中國壓力容器標準針對奧氏體不銹鋼材料，常規(guī)設計標準GB150和應力分析設計標準JB4732在溫度大于100℃時，許用應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，奧氏體不銹鋼材料許用應力值取值與碳鋼許用應力值取值方法相同，導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力值最低。4壓力容器材料安全系數在壓力容器使用初期，由于當時科學技術水平限制，對壓力容器研究不完善，為了滿足使用需要，保障安全，按理論計算基礎上，根據材料抗拉強度值，除以安全系數，得到材料許用應力取值時代入計算公式。安全系數主要作用為使用壓力容器時預留一定余量，以彌補理論漏洞和制造時無法檢測的缺陷。安全系數是歷史遺留的產物，反應人們對未知世界不確定因素，不得已而采用的保險措施。雖然對安全使用壓力容器起到了