低碳鋼壓力容器爆破試驗(yàn)及爆破壓力公式研究

1、試驗(yàn)研究低碳鋼壓力容器爆破試驗(yàn)及爆破壓力公式研究浙江大學(xué)化機(jī)研究所鄭傳祥文棋摘要:在大量Q235-A 和20R 等低碳鋼類容器爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 在對(duì)低碳鋼類壓力容器的爆破壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后, 對(duì)原有的爆破壓力估算公式Faupel 公式進(jìn)行修正, 得到更符合實(shí)驗(yàn)值的計(jì)算公式, 并對(duì)其他不同直徑的低碳鋼類壓力容器進(jìn)行驗(yàn)證, 。關(guān)鍵詞:低碳鋼; 壓力容器; 爆破壓力中圖分類號(hào):TG 142. 3;T Q051文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):(-04Explosive V essel and R esearchof Explosive StressZhejiang University ZHENG Chu

2、an -xiang WEN Q iAbstract :A fter many explosive experiments of pressure vessels of mild steel such as Q235-A 、20R , and with statistical analyzing inherent formulas of explosive stress of such vessels , we m odified the formerly expression Faupel and get another one accord with the experiments. It

3、was proved to be in comm on currency by testifying to other mild steel pressure vessels of different diameter. K ey w ords :mild steel ;pressure vessel ;explosive pressure1前言1、35低碳鋼由于含碳量比較低, 鋼中又含有一定量的硅、錳等微量元素, 材料具有較高的塑韌性, 焊接性能良好, 缺口韌性較高, 因此是壓力容器及設(shè)備的主要制造材料。一般壓力容器在工作壓力作用下儲(chǔ)存著很大的能量, 一旦失效產(chǎn)生爆破, 后果是災(zāi)難性的。針對(duì)

4、壓力容器的爆破失效研究一直都在進(jìn)行中, 尤其是分析設(shè)計(jì)規(guī)范的提出和施行, 對(duì)容器的爆破壓力研究更顯重要。傳統(tǒng)低碳鋼高壓容器的爆破壓力的估算一般采用Faupel 修正公式。它是針對(duì)大量低碳鋼、低合金鋼和高合金鋼爆破試驗(yàn)后得出的, 其他的還有基于塑性理論推導(dǎo)得出的計(jì)算式。作者在大量的低碳鋼容器爆破試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)Faupel 公式在對(duì)低碳鋼高壓容器的爆破壓力的估算中誤差偏大, 已超出10%的工程誤差范圍。如進(jìn)行修正, 則對(duì)低碳鋼高壓容器的爆破壓力估算值可以較為接近。在對(duì)其他直徑的低碳鋼高壓容器的爆破壓力估算中也比較接近, 具有一定的通用性。精確的爆破壓力計(jì)算值可以降低爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的安全系數(shù), 提高設(shè)

5、計(jì)精度, 從而減少材料用量, 減輕容器重量。2現(xiàn)有爆破壓力的估算公式6、7211低碳鋼的典型爆破過程低碳鋼破壞屬于超強(qiáng)度破壞, 即容器因超壓或壁厚大面積減薄而發(fā)生顯著塑性變形后破壞。以Q235-A 為例, 其爆破失效的力學(xué)特性有以下幾個(gè)階段:彈性變形階段、屈服階段、塑性變形階段、斷裂階段。當(dāng)材料出現(xiàn)塑性大變形時(shí), 材料強(qiáng)化而承載能力上升的影響與塑性變形材料減薄而使承載能力下降的影響相抵消, 材料無法增加承載能力, 即斷裂失效。對(duì)于壓力容器, 筒體承受內(nèi)壓超過屈服極限之后, 產(chǎn)生塑性變形, 但由于器壁材料應(yīng)變硬化, 反而9 相應(yīng)的提高了承載能力, 即使筒體達(dá)到整體屈服, 全部塑性, 也不能認(rèn)為容

6、器就已失效。因?yàn)橥搀w壁厚較大, 材質(zhì)具有良好的塑性和明顯的應(yīng)變硬化特性, 能夠阻止材料的塑性流動(dòng)。只有當(dāng)壓力增大到某一定值時(shí), 由于變形加大, 使容器減薄, 承載能力降低, 筒體才發(fā)生爆破。這就是爆破失效準(zhǔn)則的理論基礎(chǔ), 也是爆破壓力估算的理論依據(jù)。爆破壓力計(jì)算方法很多, 其中Faupel 公式和基于扭轉(zhuǎn)剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的公式已被我國超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程采納。212Faupel 公式Faupel 公式指導(dǎo)思想為:容器的爆破壓力介于容器器壁材料達(dá)到全塑性時(shí)的壓力和達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)的壓力之間, 度極限之間。也就是說, 。:P b min =s ln k 當(dāng)應(yīng)變硬化出現(xiàn)后, 材料的屈服極限提高。應(yīng)變硬化

7、最嚴(yán)重時(shí), s =b , 容器的爆破壓力為最高值。即:P b max =b ln k 容器的實(shí)際爆破壓力隨材料屈強(qiáng)比s /b 有線性的變化規(guī)律, 即爆破壓力為:P b =s (2-b ln k (1式中P b , P b max , P b min 分別為爆破壓力, 最大爆破壓力, 最小爆破壓力,MPa ;s 筒體材料的屈服極限, MPa ; b 筒體綜合抗拉強(qiáng)度, MPa ; k 筒體直徑比R 0/R i 。上式是Faupel 從實(shí)驗(yàn)中得到的半經(jīng)驗(yàn)公式, 形式比較簡單, 便于設(shè)計(jì)應(yīng)用。但是根據(jù)近年的石油化工引進(jìn)裝置中高壓設(shè)備的強(qiáng)度計(jì)算與試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)福貝爾公式應(yīng)用仍存在著令人不滿意的問題:爆破

8、壓力的計(jì)算誤差在±15%左右, 許多爆破實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 福貝爾公式計(jì)算結(jié)果偏于安全。213基于扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)2可知, 基于扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)公式是根據(jù)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 用大變形理論并考慮材料在塑性大變形后的硬化效應(yīng)對(duì)爆破壓力的影響, 用塑性力學(xué)方法推導(dǎo)而得的解析解, 其表達(dá)式為:P b =A 1/2(2-3 +(21530-4153240|i o +B 1/4(4-215 +(212527-41253060|i o+C1/8(8-2125 +(211252515-411252970|i o(2式中, A 、B 、C 是用=A 1/2+B 1/4+C 1/8去擬合材料的剪應(yīng)力剪應(yīng)變

9、曲線所得的常數(shù)。該計(jì)算式經(jīng)爆破試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明其理論計(jì)算值和容器實(shí)際爆破壓力的偏差在±3. 3%以內(nèi)。但, 計(jì)算麻煩, 并i o , 需用試差法e i -1=K (e 0-11/21/41/8A 1/20+B 1/40+C 1/80=e i -0故從實(shí)驗(yàn)出發(fā), 針對(duì)低碳鋼壓力容器將Faupel 公式進(jìn)行修正, 以得到適用于低碳鋼類容器較為精確的估算公式。3爆破壓力實(shí)驗(yàn)311實(shí)驗(yàn)裝置爆破實(shí)驗(yàn)采用液壓爆破, 由于液壓爆破釋放能量有一定危險(xiǎn)性, 可將容器置于爆破坑中進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。圖1爆破壓力實(shí)驗(yàn)裝置容器材料采用Q235, 其力學(xué)性能為:s =235MPa ; b =375MP

10、a 。試驗(yàn)是以工作壓力, 超工作壓力和爆破三個(gè)階段試驗(yàn)循環(huán), 以510逐級(jí)升壓或降壓做出記錄, 可得數(shù)據(jù)見表1。312實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理從該數(shù)據(jù)可以做出不同的壁厚或徑比的情況下, 實(shí)際爆破壓力和理論爆破壓力的曲線, 如圖2, 并對(duì)實(shí)際爆破壓力用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合。擬01CPVT 低碳鋼壓力容器爆破試驗(yàn)及爆破壓力公式研究V ol19. N o92002合曲線方程為:P b 555156(ln k -010168 。分析兩種計(jì)算爆破壓力的誤差值, 見表2, 圖3。 表1爆破壓力計(jì)算序號(hào)外徑 D 0(mm 內(nèi)徑D i (mm 壁厚(mm 徑比K 實(shí)際爆破壓力P b (MPa 理論爆破壓力P b (MP

11、a 1391783610011890111064912371502381943418921030111165512401903391233511221065111175214411234381893416521120111225010421905401003515021250111276015441556391803510021400111346715461867401103512021450111396618481508391873419421465111416312491129391893419421475111426116491481040101351042148511142641049

12、1481139195341872154011501123919534180162151134010034170116614531051439180341662680111506610521081540111341742168511155641053170圖2爆破壓力曲線圖11實(shí)際爆破壓力; 21計(jì)算爆破壓力; 31曲線擬合313修正公式的通用性驗(yàn)證從圖2、圖3可看出:圖3爆破壓力誤差曲線圖表2爆破壓力誤差計(jì)算序號(hào)123456789101112131415擬合公式(MPa 46167511675211654164571116015563100631976414664146661406713769

13、1786813470175誤差(%-51159-6 1409-0145891282-51601-101294-5169511219416380171491209816585109431538101540Faupel 公式(MPa 371504019041123421904415546186481504911249148491485017951144531055210853170誤差(%-23178-25190-21131-14120-26136-30157-27139-22127-19167-22168-16146-17103-20110-21109-16109(1 實(shí)際爆破壓力值變化不穩(wěn)定,

14、 擬合曲線方程在實(shí)際爆破壓力周圍波動(dòng), 且誤差在10%左右;(2 Faupel 公式計(jì)算爆破壓力的誤差較大, 最大值超出30%, 且偏于保守。隨著徑比的變大, 雖然誤差仍然維持在15%左右, 但波動(dòng)趨于平緩。從Faupel 公式可以看出爆破壓力與材料的屈服極限s 以及材料的屈強(qiáng)比s /b 均成線性關(guān)系, 所以對(duì)擬合曲線方程做進(jìn)一步處理:P b 47111s (b614ln k (3利用文獻(xiàn)4中對(duì)20R 鋼的爆破壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)此公式進(jìn)行驗(yàn)證。20R 鋼的材料力學(xué)性能為:s =284145MPa ; b =48318MPa ; 其爆破壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。表320R 鋼爆破壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算序號(hào)

15、1234567徑比k113116210214218312316實(shí)驗(yàn)爆破壓力(MPa 119168212139311185381148456190526162574169計(jì)算爆破壓力P b (MPa 117144210139310127391188460189520166573138誤差(%-11906-01952-015092165501865-11145-01228從表3可以看出修改以后的擬合公式計(jì)算出的爆破壓力能很好地趨近于實(shí)際爆破壓力, 誤差不超過±3%, 這對(duì)低碳鋼容器的爆破壓力較為適用。4結(jié)語經(jīng)過大量Q235-A 和20R 等低碳鋼類容器的爆破試驗(yàn), 并對(duì)低碳鋼類壓力容器的

16、爆破壓力進(jìn)行11第19卷第9期壓力容器總第118期統(tǒng)計(jì)分析后, 認(rèn)為原有的爆破壓力估算公式Faupel 公式對(duì)低碳鋼類壓力容器的爆破壓力的估算誤差偏大, 并提出經(jīng)修正后更為符合實(shí)驗(yàn)值的計(jì)算公式(3 。用20R 鋼對(duì)其他不同直徑的壓力容器進(jìn)行了驗(yàn)證, 表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該公式對(duì)于低碳鋼具有一定的通用性。該通用公式具有形式簡單、使用面較廣、計(jì)算精度較高、誤差小的特點(diǎn), 可用于工程計(jì)算。本公式在其他材料壓力容器上的適用性還有待進(jìn)一步修正。參考文獻(xiàn)1丁宀君果1化工容器及設(shè)備設(shè)計(jì)M .浙江大學(xué)出版社, 199412黃載生. 超高壓容器爆破壓力計(jì)算J , ,(6 :25-27.3劉小寧. 壓力容器爆破壓力

17、的計(jì)算J .化學(xué)世界, 1991,22:36-39.4陳志平, 黃載生. 超高壓容器爆破壓力計(jì)算式及其工程應(yīng)用J .化工設(shè)備設(shè)計(jì), 1992, 25:23-26.5M. G iglio. S pherical Vessel Subjected to Explosive DtonationLoadingJ, Int.J. Pres. Ves. &Piping , 1997,74:83-88. 6A. K. Brown , W. A. Mak , M. W. Whitm ore. Areview of U 2nited Nations T ests for ExplosivityJ.Jou

18、rnal of Loss Pre 2vention in the Process Industries 13(2000 :33-39. 7He Fengman , T ong Zheng , Wang Ning , Hu Zhiy ong. Explo 2sive F orming of Thin -wall Semi -spherical PartsJ, Mate 2rial Letters ,45(2000 :133-137.-:, , , 博士, 副教授。通訊地址:, 郵編:310027, E -mail :zhengcx21cn. com 。(上接第4頁 面缺陷渦流檢測裝置. 10中國

19、專利Z L 89216209, 高溫?fù)Q能器.11Arakawa , T akahiro Y oshikawa , K azuo ,et al. Applicationsof Brazed -type Ultras onic Probes for High and Low T em 2perature Uses J.N ondestructive T esting and Evaluation , 1991, 7(1-4 :27-30.12United S tates Patent 4872345, Measuring Wall Erosion. 13向丹, 張家駿, 聞人琪. 超聲耦合劑的高溫

20、性能研究J.無損檢測. 1994, (5 :38-40.14向丹, 劉惠琴. 磁性超聲耦合劑的研究J.無損檢測.1994,16(12 . 339-340,343.15向丹, 包葉青. 超聲耦合用磁性液體的研究J.應(yīng)用聲學(xué). 1995,14(6 :29-32.16中國專利Z L 89105081, 縮聚磷酸鹽高溫耦合劑及其制造方法.17Dix on , S. Edwards , C. High -temperature ThicknessG auging Using a Highly Deformable Dry C ouplant Material J.N on -Destructive T

21、esting and C ondition M onitoring , 2000, 42(11 :734-736.18T ackitt , K irk D. G illespie , John W. Jr. et al. High T em 2perature Measurements of Ultras onic Wave S peed Using a Laser Ultras onic T echnique C, Annual T echnical C on fer 2ence -ANTEC , C on ference Proceedings , 1996:1198-1202.19關(guān)衛(wèi)和

22、, 閻長周, 陳文虎等. 高溫環(huán)境下壓力容器與管道在線超聲波檢測技術(shù)J.壓力容器, 2002年增刊:12-15.20張新霞. 聚烯烴材料性能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)J.齊魯石油化工,1999,27(4 :284-286.21S C oncari , A Fairman. HI DA databank -its Developmentand FutureJ, International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2001,78(11-12 :1031-1042.22Fedeli , G. Survey of European Industrial Experience Withinthe HI DA Project J.Materials at High T emperatures , 1998, 15(3-4 :239-242.23Jovanovic AS , Wageman G. K nowledge -based System(K BS for Creep Crack G rowth of High T emperature C om 2ponents in HI DA Project J.Mate