压力容器安全系数许用应力

 作者邓阳春陈钢杨笑峰徐彤    【摘要】压力容器安全系数与材料参数紧密相关，确定材料许用应力值时，需要同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理；奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时，需要特殊考虑。压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和降低成本，随着理论研究深入和科学实验的进步，压力容器安全系数有所降低，这是科学设计和实用成功经验结合的结果。    【关键词】压力容器；材料；许用应力；标准；安全系数    0引言    压力容器广泛用于工业领域及日常生活领域，一旦破坏，往往造成灾难性事故。为确保公众安全，应用科学技术和使用经验，世界各国制订了压力容器标准，并通过法规等形式强制执行。合理选取材料许用应力值是保障压力容器安全、合理使用的科学基础。    1914年，美国制定了世界上第一部压力容器标准，材料许用应力值仅以抗拉强度为基准。直到1943年，英国压力容器标准选取材料许用应力值时首次引入材料屈服强度为基准。为保证压力容器安全，确定材料许用应力值时，同时考虑材料抗拉强度和屈服强度更为合理。奥氏体不锈钢材料具有非常好的应变强化能力和韧性，为充分发挥奥氏体不锈钢材料优良性能，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值时需特殊考虑。    目前，确定压力容器材料许用应力值一般取min{σs/ns，σb/nb，σD/nD，σn/nn}。其中，σs，σb，σD，σn分别为材料的屈服强度、抗拉强度、蠕变强度和疲劳强度，在大多数工况下，压力容器材料主要考虑屈服强度和抗拉强度，在一定条件下，才需考虑材料蠕变强度和疲劳强度；ns，nb，nD，nn为安全系数。    安全系数主要取决于人们对客观规律的理解程度和设备发生事故的危害程度，压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，为节省材料和经济考虑，压力容器安全系数有降低的趋势[1-2]。    欧盟许多国家压力容器标准安全系数过去就较低，2002年制定了统一的压力容器标准，安全系数明显降低[3]。由于国际竞争等原因，美国机械工程师协会在对压力容器标准系统研究基础上，2007年将压力容器标准中的分析设计标准安全系数降低[4-5]。    为保障压力容器安全性与经济性统一[6]，针对压力容器标准安全系数降低的国际趋势，笔者提出开展压力容器安全系数方面的研究，重点探讨压力容器材料屈服强度和抗拉强度及其相应的安全系数。    1材料抗拉强度    美国ASME于1914年制定了世界上第一部压力容器标准，压力容器材料许用应力值仅考虑材料抗拉强度。在20世纪30年代前，该方法为世界各国普遍接受。    20世纪50—60年代，美国ASME针对当时欧洲许多国家压力容器标准材料许用应力值由材料屈服强度取代材料抗拉强度控制，为确定是否保留材料抗拉强度，研究材料趋势曲线(trendcurve)——实质为温度与材料性能的关系[7-8]。研究结论：在蠕变温度以下材料许用应力值仍由抗拉强度σb控制；引入屈服强度σs，同时保留抗拉强度σb。主要依据如下：    1)局部应力主要由材料抗拉强度σb和材料硬化指数n控制。    2)低周疲劳(5000次)，压力容器失效发生在应力集中系数较大部位，如压力容器接管处，属应变疲劳，按抗拉强度σb考虑更可靠。    3)压力容器爆破压力与材料硬化指数n和塑性变形率有较大关系，与材料抗拉强度σb有较大关系，对于薄壁容器和低强度材料尤为明显。    4)σs不确定：    ①弯曲试验屈服点不明显；    ②屈服点σ0.2选取较随意。    2材料屈服强度    在使用锅炉早期，几乎只有低碳钢材料。当时，ASME材料抗拉强度安全系数为5，蒸汽锅炉温度较低，低碳钢材料具有较好的延性。因而，按材料室温下抗拉强度进行设计，比较粗略的满足使用要求。    然而，高效蒸汽循环需要高的工作温度，需要考虑材料高温下的特点。英国国家物理实验室进行了有价值的早期工作。产生了“弹性极限”概念，尽管当时没有标准，实际工作下“弹性极限”安全系数在1.75左右，使用低于以材料抗拉强度为基准的许用应力值[9]。二战前，英国已经获得各种材料在一定温度范围内的基本数据。20世纪40年代末，英国开始考虑屈服强度σs，同时保留抗拉强度σb，在屈服强度σs引入标准前，设计实质上已考虑材料的屈服性能。主要由于：    ①高温安全性能考虑；    ②国际商业竞争。    1943年，英国BS1113水管锅炉标准采纳了“弹性极限”概念，将材料屈服强度引入确定材料许用应力值。由于采用先进技术和连续有益的经验，材料屈服强度安全系数较低，材料抗拉强度安全系数降低。在500F以上，实际许用应力值选取比仅以材料抗拉强度为基准的许用应力值低。    20世纪20—30年代，德国进行材料塑性性能研究，主要根据使用温度下屈服强度σs确定材料许用应力，放弃考虑抗拉强度σb。    由于压力容器主要以线弹性理论为基础，考虑屈服强度σs，比较合理。因而很快被瑞典、挪威、捷克等许多欧洲国家引用。    由于仅考虑材料屈服强度，在商业利益驱动下，出现了片面追求高屈服强度σs的现象，材料韧性等优良性能下降，塑性储备降低。为了控制不利于压力容器质量的安全因素，采取限制σs/σb的措施。实际上确定材料许用应力值时，间接考虑了材料抗拉强度的影响因素。    欧盟EN13445—2002压力容器标准[3]规定材料许用应力值以材料屈服强度为基准，未考虑抗拉强度值。但对压力容器材料屈服强度与抗拉强度的比值有一定限制。    美国ASMEⅧ－12007[10]和ASMEⅧ－22007[5]和中国GB150—1998[11]和JB4732—1994[12]确定材料许用应力值同时以材料屈服强度和抗拉强度为基准，分别除以相应的安全系数，结果取其小值。    3不锈钢材料    奥氏体不锈钢材料具有非常好的韧性和非常高的应变强化能力，具有很好的高温性能、低温性能、抗腐蚀性能，具有非常优良的综合机械性能。奥氏体不锈钢材料抗拉强度很高，屈服强度较低。按碳钢方法确定材料许用应力值往往导致奥氏体不锈钢材料许用应力值偏低，不能充分发挥材料承载能力。为此，世界各国采取不同措施提高奥氏体不锈钢材料许用应力值。    美国ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2针对奥氏体不锈钢材料规定，压力容器如果容许少量变形，许用应力值最高可取设计温度下0.9σ0.2，高于σ0.2/ns。    德国对于奥氏体不锈钢材料，屈服强度一直按σ1.0取值[13]。一般，σ1.0比σ0.2高40MPa，如304材料将提高屈服强度值20%。同时，奥氏体不锈钢材料屈服强度安全系数较碳钢材料低。材料许用应力值比ASME高。该方法在20世纪50—60年代被英国、挪威、瑞典、澳大利亚等许多欧洲国家采用。欧盟EN13445压力容器标准采用该方法。    中国压力容器标准针对奥氏体不锈钢材料，常规设计标准GB150和应力分析设计标准JB4732在温度大于100℃时，许用应力值取值方法与美国ASMEⅧ－1和ASMEⅧ－2基本相同；但是，在低于100℃时，奥氏体不锈钢材料许用应力值取值与碳钢许用应力值取值方法相同，导致对于同类奥氏体不锈钢材料，中国奥氏体不锈钢材料许用应力值最低。    4压力容器材料安全系数    在压力容器使用初期，由于当时科学技术水平限制，对压力容器研究不完善，为了满足使用需要，保障安全，按理论计算基础上，根据材料抗拉强度值，除以安全系数，得到材料许用应力取值时代入计算公式。安全系数主要作用为使用压力容器时预留一定余量，以弥补理论漏洞和制造时无法检测的缺陷。    安全系数是历史遗留的产物，反应人们对未知世界不确定因素，不得已而采用的保险措施。虽然对安全使用压力容器起到了促进作用，但是，也可能阻碍压力容器的技术进步。虽然从压力容器使用开始，安全系数一直沿用至今，并且在今后很长时间将继续保留，但是，安全系数存在并不一定合理。从材料和力学角度考虑，由于材料取值时存在安全系数，导致增加压力容器厚度，压力容器受力状态恶化，并影响焊接质量。    不能依靠安全系数而降低对压力容器技术的要求；相反，通过技术进步，降低实用安全系数。由于力学理论深入，有限元技术和计算机技术发展，测试技术进步，对压力容器力学研究日益完善；材料冶炼水平和制造加工水平进步，材料性能得到保障；无损检测技术发展，发现缺陷的能力和可靠性大大提高；管理和监测水平规范提高等多方面的进步和成果……。使压力容器安全系数的取值出现逐渐降低可能。实际使用压力容器时，对核容器安全性要求往往更高，但是，核压力容器安全系数反而比民用压力容器的安全系数更低；航天工业努力减轻设备重量，不能容忍高的安全系数，然而，航天工业对设备安全性要求最高。    美国ASME第一版压力容器标准安全系数取为5。二战期间，ASME将材料抗拉强度安全系数降为4。1955年ASME版本，分析设计方法作为ASME压力容器另一标准，分析进一步完善，材料许用应力值包含材料屈服强度等性能参数，材料抗拉强度安全系数降为3.5。    2007年版本ASMEⅧ－1压力容器常规设计标准，材料抗拉强度安全系数降为3.5；ASMEⅧ－2压力容器分析设计标准，采用分安全系数方法，最大安全系数降为2.4。    中国压力容器标准材料许用应力值考虑抗拉强度，常规设计标准GB150—1998材料抗拉强度安全系数降为3，应力分析设计标准JB4732—1994材料抗拉强度安全系数降为2.7。    欧盟EN13445—2002压力容器标准[3]采用分安全系数方法，材料抗拉强度安全系数最大取2.4。    5压力容器抵抗爆破实际安全系数    选取压力容器材料许用应力值时的安全系数相当于理论上的安全系数，不同于压力容器抵抗爆破实际安全系数。压力容器实际安全系数为爆破压力值与按材料许用应力计算的压力值之比。    B.F.Langer[14]指出ASME规范圆筒体和球体在内压下所需厚度采用Lame公式计算最大环向应力，不超过材料许用应力，因而，暗示规范具有爆破安全系数同材料许用应力的安全系数。对于碳钢，材料许用应力由材料抗拉强度决定，安全系数为nb。对于厚壁碳钢材料容器比较适合。    B.F.Langer和W.L.Harding[15]对3种如图1所示不同硬化指数的材料压力容器爆破试验，分别依据抗拉强度和屈服强度设计，假设材料韧性足够，得到压力容器抵抗爆破实际安全系数如图2所示。        图1几种材料应力—应变特性        图2压力容器抵抗爆破实际安全系数    6国内外压力容器标准选取材料许用应力值的方法和安全系数比较    世界各国压力容器标准总体设计原则和设计技术差别不大，针对压力容器局部结构有少量差别，但是选取材料许用应力值时，选择材料参数和安全系数有差别较大，导致同一台压力容器按不同标准制造，压力容器厚度相差较大。    如图3所示[16]，同一条件的容器，采用同样的材料，采用不同的标准，需要不同的厚度。        图3不同标准所需容器厚度    下表为国外部分压力容器标准材料许用应力值选取方法和安全系数，其中，选取奥氏体不锈钢材料许用应力值的方法和安全系数差别较大。    部分国内外压力容器标准材料许用应力值选取方法和安全系数表        注：F为碳钢，A为奥氏体不锈钢，δ为延伸率    7结论    1)确定压力容器材料许用应力值时，以材料的屈服强度和抗拉强度为基准，均有理论依据，应同时考虑。    2)压力容器安全系数的选取建立在经验基础上，随着理论研究和科学实验的进步，在保障压力容器安全性前提条件下，压力容器安全系数逐步降低，节省材料。    3)奥氏体不锈钢材料有非常大的应变强化能力。欧盟EN13445—2002压力容器标准奥氏体不锈钢材料许用应力选取方法和安全系数，建立在理论研究和实验研究基础上，并在欧洲有多年广泛使用经验，经济、实用、合理。    4)压力容器抵抗爆破实际安全系数不同于选取材料许用应力时的安全系数。    5)世界各国压力容器标准总体设计原则和设计技术差别不大，局部结构有少量差别，但选取材料许用应力值时，选择材料参数和安全系数的差别较大。    参考文献    [1]吴宗之，任彦斌，牛和平等．基于本质安全理论的安全管理体系研究[J]．中国安全科学学报，2007，17(7)：54～58    [2]姚安林．石化企业风险管理机制研究[J]．中国安全科学学报，2007，17(7)：38～45    [3]EN13445，UnfiredPressureVessels[S]，2002    [4]E．UpitisandK．Mokhtarian．EvaluationofdesignmarginsforsectionⅧ，Div．1and2ofASMEboilerandpressurevesselcede[J]．WRCBulletin，1998，435：1－85    [5]2007ASMEBoiler＆PressureVesselCode，Ⅷ－Division1，RulesforConstructionofPressureVessels[S]，2007    [6]杜志明，范军政．安全裕度研究与应用进展[J]．中国安全科学学报，2004，14(6)：6～10    [7]J．H．Gross．PVRCinterpretivereportofpressurevesselresearch，section2－－materialsconsiderations[J]．WeldingResearchCouncilBulletin，1964，101：1－31    [8]P．M．Brister．CodedesigncriteriaintheU．S．A．evaluationofstrengthproperties[A]．1977DesignCriteriaofBoilersandPressureVessels，PapersPresentedattheThirdInternationalConferenceonPressureVessdTechnology[C]．ASME，Tokyo，Japan，1977．4：35－53    [9]W．R．Chipperfield．DesignCriteriaforBoilersandPressureVesselsintheUnitedKingdom[A]．CriteriaofBoilersandPressureVessels，PapersPresentedatFirstInternationalConferenceonPressureVesselTechnology[C]．ASME，Delft，theNetherlands，1969．10：33－35    [10]2007ASMEBoiler&PressureVesselCode，Ⅷ－Division2，AlternativeRulesforConstructionofPressureVessels[S]，2007    [11]GB150—1998．钢制压力容器[S]，1998    [12]JB4732—1994．压力容器分析设计[S]，1994    [13]O．Schmidt．Germandesigncriteriaincludingsafetyfactorsontensilestrengthandyieldstrength[A]．CriteriaofBoilersandPressureVessels，PapersPresentedatFirstInternationalConferenceonPressureVesselTechnology[C]．ASME，Delft，theNetherlands，1969．10：9－13    [14]B．F．Langer．PVRCinterpretivereportofpressurevesselresearch，section1－－designconsiderations[J]．WRCBalletin，1964，97：1－53    [15]B．F．LangerandW．L．Harding．Materialrequiementsforlonglifepressurevessels[J]．TranslationofASME，JournalofEngineeringforPower，1958，86：403－410    [16]BernardF．Langer．Design－stressbasisforpressurevessels[J]．ExperimentalMechanics，1971，30：1－11    信息来源：中国安全科学学报2008.6（责任编辑：袁辉）