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低温压力容器设计理念的比较

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1低温界定比较

结合大量的实践经验来看,对于压力容器而言,在出现的低温脆断破裂现象前后各个阶段当中都没有或仅仅存在局部区域内非常小的塑性变形表现,但大多不会出现整体结构上的屈服问题。目前,国内外按凡按常规设计的压力容器规范,针对受压元件的低应力脆断问题都做出了相应的规定,在规定当中还对具体的低温界限做出了合理划分。美国现行压力容器规范ASMEVII–1规范当中对低温界限的划分标准为﹣3.0℃以下;日本现行压力容器规范JISB8243规范当中对低温界限的划分标准为﹣10.0℃以下;德国现行压力容器规范AD规范当中对低温界限的划分标准为﹣10.0℃以下;法国现行压力容器规范非直接受压设备设计规范当中对低温界限的划分标准为﹣20.0℃及以下;英国现行压力容器规范BS5500规范当中对低温界限的划分标准为0℃以下。而对于我国而言,结合多年以来的实践经验证实:在压力容器使用环境温度高于﹣20.0℃的情况时,按照常温标准进行压力容器的选材、设计、制造均是可以保障其安全性的。因此,在现行的GB150-2011规范当中,仍然按照﹣20.0℃作为低温压力容器的低温界定标准。

2设计理念比较分析

就当前在压力容器设计领域中最常使用的三类规范:美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范、以及我国现行GB150规范作为研究对象,对其有关低温压力容器设计方面的规定进行对比分析:对于美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范而言,在低温压力容器设计中均遵循了与断裂力学相关的原理与方法,通过对材料组别,应力水平,材料厚度,以及元件最低操作温度等相关指标的分析,评估冲击试验的可行性(若可行,则需要进一步分析冲击试验下所对应的温度条件),这显然更加符合钢材脆性断裂下的实际原理。同时,在欧盟EN13445规范当中,还详细给出了建立在断裂力学原理基础之上的分析方法,作为其前两种方法的补充,即针对采用超标准材料或经过无损检测发现超标缺陷,常规方法不适用的条件下,可利用后续方法作为补充,因此实际应用价值更加突出。但对比我国现行GB150规范来看,虽然在GB150规范当中也建议通过对材料进行冲击性试验的方式来评估材料冲击韧性,但设计思想还存在一定的滞后性,与美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范中的设计思想还存在一定的差距。

同时,根据本文以上分析,在我国现行GB150规范当中,对于低合金钢材料低温容器的温度界限划分按照﹣20.0℃标准进行设置,但这种设计理念下并没有考虑到材料厚度以及在材料厚度范围内实际缺陷尺寸等相关因素对低温容器材料冲击韧性造成的影响。为进一步对比三种规范在低温容器设计上存在的差异,以Q345R(16MnR)正火板为例进行分析:根据美国ASMEVII–1规范中的相关规定,对于150.0mm的Q345R(16MnR)正火板来说,即便在温度高于0℃的条件下,仍然无法真正意义上的避免脆性断裂问题的发生,而20.0mm的Q345R(16MnR)正火板即便应用于﹣35.0℃的条件下也可不必进行低温冲击性试验。但在我国现行GB150规范的要求当中,对于25.0~200.0mm的Q345R(16MnR)正火板,要求必须做0℃或﹣20.0℃条件下的冲击性试验。换句话来说,在材料厚度较大的情况下,若按照我国现行的GB150规范中的要求来进行设计,则除了需要对标准条款进行考虑意外,还需要结合实际情况分析是否需要提高对材料韧性的要求,否则所带来的设计风险是非常巨大的。

而从材料冲击试验温度调整规定的角度上来说,美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范中均可采用元件中的实际薄膜应力与许用应力的比值来判断材料允许使用温度的降低值,而我国现行GB-150规范中对此仅规定了一种低温低应力工况,而在化工容器设计中也确实存在着应力水平虽较低但未低至l/6屈服强度的现象,对此,GB150《压力容器》并未如国外标准一样作出在低温降应力工况下材料冲击试验温度的调整规定,具体规定如表1数据所示,显得较为保守。

3结束语

对于压力容器而言,在其使用过程当中,常见的破裂有两种表现形式,其一是塑性破裂,其二是脆性破裂。对于本文所研究的低温压力容器而言,发生率较高的破裂表现形式为脆性破裂。其主要机制是:在拉应力作用之下,受压元件的应力水平低于材料的屈曲强度或者是在较许用应力较低的情况下而出现的突发性破裂现象,通常也将这种破裂现象称之为低应力脆断。由于此种现象有一定的突发性以及不可预知性特点,故而在发生后可能会产生非常严重的不良后果。在这一背景之下,对相关规范标准中有关低温压力容器设计理念进行对比有着非常深远的现实意义与价值。文章即在对我国现行GB-150中有关低温压力容器设计要点进行介绍的基础之上,将其与美国ASMEVII–1规范、欧盟EN13445规范中的设计理念进行对比分析,希望能够在实践工作中引起高度关注与重视。

作者:刘英 单位:江苏中能硅业科技发展有限公司

低温压力容器设计理念的比较责任编辑:杨雪    阅读:人次