容器的超压爆破过程

原创 胡伟明  2020-09-21 20:56:00  阅读 80 次 评论 0 条
摘要:

韧性爆破一台受压容器,如果材料的塑性韧性正常,设计正确,制造中也未留下严重的缺陷,那么加压直至爆破的全过程一般都属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用下图的容器液压爆破曲线OABCD来说明,加压的几个阶段如下。(1)弹性变形阶段如OA线段所示,随着进液量(即体积膨胀量)的增加,容器的变形增大,内压随之上升。这一阶段的基本特征是内压与容器变形量成正比,呈现出弹性行为。A点表示内壁应力开始屈服,或表示容器的局部区域出现屈服,整个容器的整体弹性行为到此终止。(2)屈服变形阶段  

韧性爆破

一台受压容器,如果材料的塑性韧性正常,设计正确,制造中也未留下严重的缺陷,那么加压直至爆破的全过程一般都属于韧性爆破过程。韧性爆破的全过程可以用下图的容器液压爆破曲线OABCD来说明,加压的几个阶段如下。

容器的爆破曲线.png

(1)弹性变形阶段

如OA线段所示,随着进液量(即体积膨胀量)的增加,容器的变形增大,内压随之上升。这一阶段的基本特征是内压与容器变形量成正比,呈现出弹性行为。A点表示内壁应力开始屈服,或表示容器的局部区域出现屈服,整个容器的整体弹性行为到此终止。

(2)屈服变形阶段  

如AB段所示,这是容器从局部屈服到整体屈服的阶段,或者说是以内壁屈服到外壁也进入屈服的阶段。B点表示容器已进入整体屈服状态,如果容器的钢材具有屈服平台的特点,那么这阶段也是包含塑性变形逐步越过屈服平台的阶段,因此这是一个包含复杂过程的阶段,不同的容器不同的材料这一阶段的形状与长短不同。

(3)变形强化阶段  

如BC段所示,这是因材料发生塑性变形而不断强化,容器的承载能力不断提高的过程。但同时又是因体积膨胀而使壁厚不断减薄会使承载能力有所下降的过程。不过这两者中强化影响大于减薄影响,因而强化提高承载能力的行为变成主要的。变形达到总体“塑性失稳”状态,承载能力达到最大即将爆破,此时容器已充分膨胀。

(4)爆破阶段

在CD段是减薄的影响大于强化的影响,容器的承载能力随着容器的大量膨胀而明显下降,壁厚迅速减薄,直至D点而爆裂。

C点所对应的内压力应计为爆破压力,正常的韧性爆破的容器,爆破时的体积膨胀量(即进液量)均在整个容器体积的10%以上,这一量值越高,表示容器的韧性越好,即材料的塑性韧性和制造质量都非常好,当然也预示这样的容器在设计压力下越是安全。从承受的压力来说,爆破压力越高,或者爆破压力与设计压力的比值越大则越安全。

A点对应的内压是开始屈服的压力,B点对应的内压是容器全部进入屈服的压力。通常所说的容器屈服压力应指B点所对应的压力--整体屈服压力。

从实验所得的爆破曲线上要准确判定A点及B点是很困难的。美国ASME Ⅷ-1的实验应力分析部分给出了一个确定容器屈服压力的方法,即按弹性线(OA)斜率增大一倍画一条通过坐标原点的斜线,与爆破曲线拐弯处的交点,其纵坐标即为屈服压力(可以认为是整体屈服压力)。通常将这一方法简称为二倍斜率法,这在工程上很有用。

对于圆筒形容器,屈服后的大变形以中间部位最为显著,俗称为“鼓肚”现象,“鼓肚”愈大,表示体积膨胀量也愈大。容器最终的爆破一般从鼓肚最大的地方发生。凡是塑性韧性好的材料所制造的容器,爆破时均只裂开一条裂缝,尽管裂缝的张口可以很大,而不会撕裂成碎片飞出。

脆性爆破

容器的脆性爆破过程如上图中的OA’(或OA”)曲线所示,这种爆破是指容器在加压过程中没有发生充分的塑性变形鼓胀,甚至尚未达到屈服的时候就发生爆破。爆破时容器尚在弹性变形阶段至多是少量屈服变形阶段。

脆性爆破的容器或是由于材料的脆性(例如低温下的脆性),或是由于有严重的焊接缺陷(例如裂纹)而引起。也可能这两者同时起作用,即既有严重缺陷又遇材料变脆(如焊接热影响区的脆化或容器长期在中高温度下服役致使材料显著脆化)从而引起脆断。

脆性爆破的容器由于体积变形量很小因而其安全裕量很少,是应竭力防止的。万一发生脆断,容器很可能爆裂出碎片飞出,产生极大的危害,带来灾难性的后果。


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