[发明专利]一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法

说明书

技术领域

本发明属于压力容器设计领域，涉及一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法。

背景技术

工业上通常把操作压力在100MPa以上的容器称为超高压容器，目前已用于石油化工、人造水晶、粉末冶金、金属成型、食品处理等技术领域，随着人们对超高压技术认知的拓展，其应用前景将更为广泛。由于超高压容器通常在极为苛刻的条件下运行(如超高压聚乙烯反应器的压力可高达350MPa，温度可高达350℃等)，且内部为易燃易爆物质，一旦失效往往并发火灾、环境污染等灾难性事故，严重影响社会经济和人民生命财产安全，因此，其可靠性至关重要。

关于超高压容器设计方面，美国和日本等工业发达国家开展了大量的研究工作，并积累了丰富的经验，且颁布了相关设计标准，典型的如美国ASMEⅧ-3“高压容器建造的另一规程”和日本HPIS C-103“超高压圆筒容器设计指针”。目前我国已经在消化吸收国外先进技术基础上，通过自主研发形成了TSG R0002-2005“超高压容器安全技术监察规程”，但尚未建立相关的设计标准。

超高压容器在运行过程中压力和温度随时间波动，以及受开停车等过程影响，经常承受变动载荷作用，疲劳断裂是其主要失效模式之一。因此，美国ASMEⅧ-3和日本HPIS C-103标准均规定了以弹塑性力学为基础的疲劳设计，为提高疲劳寿命引入了自增强设计，此外还涉及了以断裂力学为基础的疲劳寿命计算。但在疲劳设计时主要以简化解析形式为主，无法准确考虑局部结构对应力分布的影响等，目前由此引发的超高压容器失效问题仍时有发生；另外，在进行断裂力学分析时也主要考虑简单的疲劳裂纹线性扩展，未计及占较大疲劳寿命分数的近门槛扩展等问题，将导致设计安全裕度过大、浪费严重，所以亟待开发一种更为合理的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法，在兼顾制造和运行风险的前提下，更为合理地给出超高压容器的疲劳设计寿命。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于寿命的超高压容器疲劳强度设计方法，其包括以下步骤：

S1、明确超高压容器的服役压力和温度要求，以及所用材料的疲劳性能数据；

S2、根据弹塑性力学理论，进行初步结构设计；

S3、依据剪应力最小原理，对完成初步结构设计的超高压容器进行自增强处理优化设计；

S4、利用通用有限元软件，对完成步骤S3得到的超高压容器的设计结构开展应力分析，得到超高压容器结构的应力分布状况；

S5、将步骤S4中得到的应力分析结果换算成等效应力，找出超高压容器结构的最大局部等效应力值；

S6、将步骤S5中的最大局部等效应力值与所用材料的疲劳性能数据进行比对，当最大局部等效应力值大于所用材料的疲劳性能数据时，返回步骤S2，否则直接进入步骤S7；

S7、根据步骤S5的最大局部等效应力值、所用材料的疲劳裂纹扩展门槛值和断裂力学理论，计算最小初始疲劳裂纹长度计算公式如下：

a0min=1π(ΔKthY·Δσeqmax)2]]>

式中：为最小初始疲劳裂纹长度，m；

ΔK_th为所用材料的疲劳裂纹扩展门槛值，MPam^1/2；

是依据步骤S4的有限元分析获得的最大等效应力范围，MPa；

Y为修正系数；

S8、根据材料断裂韧性和断裂力学理论，计算最大疲劳裂纹长度a_f，计算公式如下：