（化工过程机械专业论文）有色金属压力容器轻量化研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 有色金属压力容器由于其耐腐蚀、耐低温等特性被广泛应用于石油化工、航 天航空等领域。其中，铝制和铜制压力容器应用最为普遍。为促使行业规范化， 我国制订了一系列有色金属压力容器标准。同欧美标准相比，我国标准中部分有 色金属材料的许用应力取值偏低，导致容器设计厚度较大，产品经济性较差。针 对这一现状，本文从材料许用应力着手对有色金属压力容器展开轻量化研究。 本文以浙江省质检系统科研项目( 2 0 0 8 0 2 2 5 ) 为依托，围绕能否提高我国有 色金属许用应力这一问题，以铝制和铜制压力容器为例进行了理论分析、数值计 算和试验研究。本文比较了国内外铝材和铜材许用应力计算方法的差异，探讨了 提高我国铝材和铜材许用应力的可行性，建立了铝制和铜制压力容器数值计算模 型并结合试验研究了铝制和铜制压力容器承载时的力学行为，得出以下结论： 1 ) 欧美标准中，铝材和铜材的抗拉强度安全系数最低可取为2 4 ，且一些欧 洲标准对纯铝和部分塑性较好的铜材采用0 作为屈服强度来计算许用应力。 而我国标准中，铝材和铜材的抗拉强度安全系数均取为3 0 ，并采用r p o 2 作为屈 服强度来计算许用应力。这些差异是导致我国部分铝材和铜材许用应力取值相对 偏低的重要原因。 2 ) 国产铝材和铜材的力学性能已经达到了欧美先进工业国家的技术指标要 求。从失效模式来分析，抗拉强度安全系数取为2 4 以及对塑性好的材料采用 1 0 来计算许用应力不会导致容器韧性断裂或因过度变形而失效。因此，从材 料力学性能和静强度失效两方面看，提高我国部分铝材和铜材的许用应力具有可 行性。 3 )按国内设计方法，h 6 2 铜合金、5 0 5 2 和5 0 8 3 铝合金制试验容器的爆破 安全裕度依次为4 7 9 、3 9 2 ( 两台容器的平均值) 、3 4 5 。若对h 6 2 铜合金制容 器采用1 0 作为屈服强度来设计，其爆破安全裕度为4 1 7 ，仍较高。由h 6 2 铜 合金容器的试验结果来看，对于铜制压力容器，我国标准可考虑对塑性好( 断后 伸长率大于2 5 ) 、屈强比低的材料采用1 0 作为屈服强度来计算其许用应力。 4 )建立了铝制和铜制压力容器数值计算模型。该模型对试验容器的力学行 为预测与试验结果吻合较好j 可用于铝制和铜制压力容器的应力应变分析。 i v 浙江大学硕士学位论文摘要 关键词：有色金属压力容器许用应力抗拉强度安全系数屈服强度安全裕度 v 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dl o wt e m p e r a t u r e r e s i s t a n c ee t c ，n o n f e r r o u sm e t a lp r e s s u r ev e s s e l s ，e s p e c i a l l ya l u m i n u ma n dc o p p e r p r e s s u r ev e s s e l sh a v eb e e nw i d e l yu s e d i n p e t r o c h e m i c a l ，a e r o s p a c ea n do t h e r i n d u s t r i e s t op r o m o t ei n d u s t r ys t a n d a r d i z a t i o n , c h i n ah a sd e v e l o p e das e r i e so f s t a n d a r d so nn o n f e r r o u sm e t a lp r e s s u r ev e s s e l s h o w e v e r , c o m p a r e d 、析ms t a n d a r d si n e u r o p ea n da m e r i c a , a l l o w a b l es t r e s so ft h em a t e r i a l si nc h i n a ss t a n d a r d si sl o w e r , r e s u l t i n gi nt h i c k e rd e s i g nt h i c k n e s so fv e s s e l s ，s ot h ep r o d u c t sa r eo fp o o re c o n o m y f o rt h i ss i t u a t i o n , t h i sp a p e rw o r k e do nl i g h t w e i g h tr e s e a r c ho fn o n f e r r o u sm e t a l p r e s s u r ev e s s e l sf r o m t h ea s p e c to fm a t e r i a la l l o w a b l es t r e s s t h i ss t u d yi ss u p p o r t e db yt h er e s e a r c hp r o je c t so fq u a l i t yi n s p e c t i o ns y s t e mi n z h e j i a n gp r o v i n c e ( 2 0 0 8 0 2 2 5 ) f o c u s i n go nt h ep r o b l e mt h a tw h e t h e rn o n f e r r o u s m e t a l sc a ni n c r e a s ea l l o w a b l es t r e s so rn o t ，t h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a v eb e e nt a k e no na l u m i n u ma n dc o p p e rp r e s s u r ev e s s e l s i n t h i sp a p e r , t h ed i f f e r e n c et od e t e r m i n et h ea l l o w a b l es t r e s sf o ra l u m i n u ma n dc o p p e ra t h o m ea n da b r o a dh a sb e e ns t u d i e d ，t h ep o s s i b i l i t yt or a i s et h ea l l o w a b l es t r e s sf o r a l u m i n u ma n dc o p p e rh a sb e e nd i s c u s s e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l sf o ra l u m i n u m a n dc o p p e rp r e s s u r ev e s s e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f a l u m i n u ma n dc o p p e rp r e s s u r ev e s s e l sh a sb e e nt e s t e d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) i ne u r o p e a na n da m e r i c a ns t a n d a r d s ，t h es a f e t yf a c t o rf o rt e n s i l es t r e n g t ho f a l u m i n u ma n dc o p p e rh a sam i n i m u mo f2 4 w h a t sm o r e ，f o rp u r ea l u m i n u ma n d s o m ek i n d so fc o p p e r 谢t 1 1g o o dp l a s t i c i t y , 1 0c a nb eu s e da sy i e l ds t r e n g t ht o c a l c u l a t ea l l o w a b l es t r e s s h o w e v e r i nc h i n a , t h es a f e t yf a c t o ro ft e n s i l es t r e n g t hf o r a l u m i n u ma n dc o p p e ri s3 0 ，a n do n l yo 2c a nb e u s e da sy i e l ds t r e n g t ht o c a l c u l a t ea l l o w a b l es t r e s s t h i si sa ni m p o r t a n tr e a s o nw h ya l l o w a b l es t r e s so fs o m e a l u m i n u ma n dc o p p e ri nc h i n ai sr e l a t i v e l yl o w e r 2 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma n dc o p p e rm a d ei nc h i n ah a v e r e a c h e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fa d v a n c e dw e s t e r ni n d u s t r i a lc o u n t r i e s a n a l y s i s 浙江大学硕士学位论文 f r o mt h ef a i l u r em o d e ，t h es a f e t yf a c t o ro f2 4f o rt e n s i l es t r e n g t ha n d 1 0u s e dt o c a l c u l a t ea l l o w a b l es t r e s sf o rp l a s t i cm a t e r i a l sw i l ln o tr e s u l ti nc o n t a i n e rr u p t u r ea n d d u c t i l ef a i l u r ed u et oe x c e s s i v ed e f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，f r o ma s p e c t so fm a t e r i a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n ds t a t i cs t r e n g t hf a i l u r e ，i ti sf e a s i b l ef o ru st or a i s ea l l o w a b l e s t r e s so fa l u m i n u ma n dc o p p e ri nc h i n a 3 ) t h eb l a s t i n gs a f e t ym a r g i n so fh 6 2c o p p e ra l l o y , 5 0 5 2a n d5 0 8 3a l u m i n u m a l l o yt e s tp r e s s u r ev e s s e l sd e s i g n e da c c o r d i n gt on a t i o n a ls t a n d a r d sa r e4 7 9 ，3 9 2 ( a v e r a g ev a l u eo ft w ov e s s e l s ) ，3 4 5 f o rt h eh 6 2c o p p e ra l l o yc o n t a i n e r s ，e v e n & 1 0i su s e da sy i e l ds t r e n g t h , t h eb l a s t i n gs a f e t ym a r g i ns t i l lc a l lr e a c h4 17 a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，f o rc o p p e rp r e s s u r ev e s s e l s ，1 0 c o u l db eu s e da s y i e l ds t r e n g t ht oc a l c u l a t ea l l o w a b l es t r e s sf o rm a t e r i a l so fg o o dp l a s t i c i t y ( e l o n g a t i o n m o r et h a n2 5 ) a n dl o wy i e l dr a t i oi no u rs t a r d a r d s 4 ) t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e l so fa l u m i n u ma n dc o p p e rp r e s s u r ev e s s e l s w e r eb u i l t t h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t so ft e s tv e s s e l sa r ei ng o o da g r e e m e n t 、析t 1 1 t h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h em o d e l sc a nb eu s e df o rm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n a l y s i so f a l u m i n u ma n dc o p p e rp r e s s f t r ev e s s e l s k e y w o r d s ：n o n f e r r o u sm e t a lp r e s s u r ev e s s e l s ；a l l o w a b l es t r e s s ；t e n s i l es t r e n g t h ； s a f e t yf a c t o r ；y i e l ds t r e n g t h ；s a f e t ym a r g i n v i i 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光飞逝，2 0 0 8 年初入学时的情景依然历历在目，如今两年半的硕士生涯 已即将结束。借此论文完成之际，我想对这两年多来帮助和关心过我的人表示感 谢! 首先，非常感谢我的导师郑津洋教授这两年多来对我的悉心指导和热忱关 怀。一直以来，郑老师的人格魅力都令我由衷的钦佩和敬仰，博学以育人、严谨 而治学、勤奋而攀高。他的这些的优点带动了整个课题组的不断发展，也为学生 搭建了不断进取的平台，正是在郑老师搭建的广阔平台上，我收获了许多宝贵的 人生经验。 其次，感谢课题组的徐平副教授、杨健副教授、赵永志副教授、刘鹏飞副教 授、马利老师、叶建军老师、刘延雷博士后和杨富春博士后对我学 - - j 上的指导和 生活上的爱护。 特别感谢缪存坚师兄、刘贤信师兄、李雅娴师姐、王非、张含在论文写作期 间中对我的指导和帮助。以及陈虹港师兄、吴琳琳师姐、刘刚、赵磊、欧可升、 舒翔宇、师俊、郭阿宾、饶静、侯少静、胡杨、储进科、黄泽、唐晓晖在试验期 间给予我的帮助。 感谢别海燕师姐、施建峰师兄、唐萍师姐、张伯君、郝宇杰，蒋旭洲，还有 已经走向工作岗位的李翔师兄、邓贵德师兄、陈勇军师兄、董奇师兄、许辉庭师 兄、秦永泉师兄、江茂强师兄在我进入实验室后给予的关心和帮助。实验室的兄 弟姐妹让我感到很温暖。 再次，感谢杭州市特种设备检测院的韩树新教授级高级工程师、盛水平高级 工程师和陈海云工程师在工作上对我的支持和帮助。 另外，本文的研究工作得到了浙江省质检系统科研项目( 2 0 0 8 0 2 2 5 ) 的资助， 在此表示感谢。 最后，我要感谢我的父母，感谢你们对我的宽容和爱护，感谢你们给予我最 无私的爱。 周宁 二。一一年一月于求是园 浙江大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 彳 一 断后伸长率，； 口一简体内径，m m ； e 一 杨氏弹性模量，m p a ； r p o 2 r p l 0 r , o 5 交e l 径比，即筒体外径与内径的比值； 抗拉强度安全系数，m p a ； 屈服强度安全系数，m p a ； 容器内压，m p a ； 容器爆破压力，m p a ； 容器全屈服应力，m p a ； 容器最大允许工作压力，m p a ； 常温下的抗拉强度，m p a ； 常温下的o 2 非比例延伸强度，m p a ； 常温下的1 o 非比例延伸强度，m p a ； 常温下的o 5 总延伸强度，m p a ； 设计温度下的屈服强度，m p a ； 设计温度下的蠕变极限( 每1 0 0 0 h 蠕变率为0 0 1 ) ，m p a ； 设计温度下的o 2 非比例延伸强度，m p a ； 设计温度下的1 o 非比例延伸强度，m p a ； 设计温度下的持久强度极限，m p a ； 简体厚度，m m ； 材料工程应力，m p a ； 材料真实应力，m p a ； 屈服起始点对应的工程应力，m p a ； 简体轴向应力，m p a ； 简体环向应力，m p a ； 最大允许工作压力下筒体的等效应力，m p a ； i i k p 忍匕己如 以嘞吼如丁 盯 听 吒唧吩嘶 浙江大学硕士学位论文符号说明 吒9 4一水压试验压力下简体的等效应力，m p a ； b 】一 许用应力，m p a ； 占 一 材料工程应变； 岛 一 材料真实应变。 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 压力容器是盛装气体或者液体，并承载一定压力的密闭设备，其用材主要包 括钢铁、有色金属材料、非金属材料和复合材料其中，以有色金属作为基本结 构材料的压力容器统称为有色金属压力容器。常用的有色金属压力容器包括铝 制、铜制、钛制、镍制、锆制和钽制压力容器。 1 1 研究背景 2 1 世纪以来，能源紧缺和环境污染已成为全人类共同的危机。对此，我国“十 一五规划”将节能减排列为一项基本国策。在全球节能减排的大环境下，安全与 经济并重、安全与资源节约并重的发展理念在压力容器行业内逐渐形成共识，轻 量化已成为压力容器行业发展的主导方向【1 1 。轻量化的目的是在确保安全的前提 下减薄壁厚、减轻重量，进而节省材料，降低制造、运输和安装过程中的能耗。 有色金属压力容器在低温、腐蚀等恶劣环境中有较为广泛的应用。随着现代 工业的快速发展，其需求的数量和种类都在不断增长，应用领域不断拓宽，在压 力容器行业中所占的地位也越发不容忽视。 近年来，我国有色金属压力容器的设计制造水平不断提高，国内相关法规和 标准也得到了极大的发展。但与国外先进水平相比，按国内标准设计制造的有色 金属压力容器往往厚度较大，不但耗费了更多的资源，也降低了国产容器的经济 性和竞争力。我国有色金属压力容器的轻量化势在必行。 为了实现我国有色金属压力容器的轻量化，提高国内产品的经济性和竞争 力。2 0 0 8 年，杭州市特种设备检测院与浙江大学化工机械研究所展开合作，立项 对有色金属压力容器轻量化关键技术进行研究。本文研究内容即是在此项目( 浙 江省质检系统科研项目) 支持下完成。 1 2 有色金属压力容器应用现状 1 2 1 特性及应用场合 一般来说，有色金属主要作为功能材料和高端结构材料使用，其价格普遍偏 高。除铝价格低于不锈钢外，其他有色金属都要比钢铁贵，钛、镍、锆的价格甚 至比普通钢铁高两个数量级1 2 ，这在一定程度上限制了有色金属在装备制造业中 的应用。但随着现代工业的发展，设备的使用条件越来越苛刻，对材料的性能要 浙江大学硕士学位论文 绪论 求越来越严格，钢铁往往不能满足要求。而在一些特定环境下，有色金属的某种 或某些特性可以得到充分的发挥，其长期应用性能和性价比可能更优于钢铁。 有色金属压力容器在炼油、化工、能源、航空航天、核工业、轻工、食品以 及民用天然气、液化气等领域的广泛应用，主要是得益于其以下特性【2 弓1 ： 1 ) 耐腐蚀 防腐蚀是有色金属压力容器的最主要用途之一。由于有色金属的化学性能各 不相同，其耐腐蚀介质范围和程度也各不相同。铝材中，纯铝的耐腐蚀性最好， 其防腐介质包括醋酸、浓硝酸、碳酸氢铵以及尿素等；铜材中，纯铜和黄铜一般 只在大气和淡水中具有良好的耐腐蚀性，而青铜和白铜在海水中的耐腐蚀性也较 好；镍材中，镍铬合金在氧化性介质中具良好的耐腐蚀性，镍铜合金在氢氟酸中 具有良好的耐腐蚀性，而镍钼合金在盐酸中具有良好的耐腐蚀性；其他有色金属 如钛、锆、钽的耐腐蚀性则更优秀，耐腐蚀介质范围更广相比之下，碳素钢和 低合金钢的耐腐蚀性较差，不锈钢仅在氧化性介质中具有较好的耐腐蚀性，而不 适用于还原性较强的腐蚀性介质。 2 ) 传热性能好 常用的压力容器用材中，奥氏体不锈钢的热导率较差、碳素钢和低合金钢的 热导率一般，而铜材和铝材的热导率较高，特别是纯铜和纯铝。如表1 1 所示， 纯铜的热导率约为碳素钢的5 倍、奥氏体不锈钢的2 4 倍；纯铝的热导率约为碳 素钢的3 倍、奥氏体不锈钢的1 7 倍，因此铜材和铝材常用于制造换热容器。 但有时传热材料的选择不仅仅要考虑其导热性能，还要考虑工作环境等其他 因素，如钛材、镍材和锆材也常用于制造特定腐蚀环境中的换热容器。 表1 - 1 常用压力容器用材的室温热导率 类型纯铝 铝镁纯黄 纯 纯 纯锆碳素钢 低合 奥氏体 材料 合金铜铜 镍钛金钢不锈钢 牌号 1 0 6 05 0 8 3t p 2h 6 2n 7t a 2r 6 0 7 0 2 q 2 3 5 - bq 3 4 5 r$ 3 0 4 0 8 热导率 w ( m 1 0 2 8 11 4 03 9 01 0 96 11 6 31 58 48 41 6 3 ) 比强度高 常用的结构材料中，铝材和钛材的密度较小，同钢材相比，其比强度( 抗拉 强度与密度之比) 更高。对于移动式压力容器，材料的比强度更高则意味着设备 重量更轻，运输过程中可以降低能耗，节约成本。如碳素钢q 2 3 5 b 的相对密度 2 浙江大学硕士学位论文绪论 约为7 8 ，我国标准中其许用应力为1 1 3 m p a ；5 0 8 3 铝合金的相对密度约为2 7 ， 许用应力为6 7 m p a ；t a 2 钛的相对密度约为4 5 ，许用应力为1 4 7 m p a 。同等载 荷条件下，q 2 3 5 b 钢的质量约为5 0 8 3 铝合金的1 7 倍，约为t a 2 钛的2 3 倍。 因此，铝材和钛材常用于制造移动式压力容器，如罐车、航天用低温容器等。 4 ) 耐低温 钢材中，碳素钢和低合金钢的耐低温性能一般，一定温度下会产生低温脆性， 而奥氏体不锈钢的耐低温性能较好，最低可用至2 5 3 。c 。与钢材相比，有色金属 材料的耐低温性能普遍较好，_ 般不会产生低温脆性，可在低温环境中保持较高 的塑性和冲击韧性。其中，铝材的耐低温性能最好，可用至一2 6 9 。c 无需任何附加 要求；铜材和镍材可用至1 9 8 。c 无需任何附加要求，最低可用至2 6 9 * c 。钛材可 用至6 0 * ( 2 无需任何附加要求，最低可用至2 6 9 。c 。因此，有色金属压力容器广 泛用于低温环境中，如空分设备中的分馏塔及各类低温储罐常采用铝材和铜材制 造。 5 ) 耐高温 相比于低温环境，有色金属材料在高温环境中的作用并不突出。奥氏体不锈 钢作为常用的耐高温材料，其耐高温性能要优于绝大多数有色金属材料，但仍有 部分镍合金的耐高温性能要优于奥氏体不锈钢。我国压力容器标准中，奥氏体不 锈钢的最高允许设计温度可达7 0 0 。c ，而某些镍合金最高可达9 5 0 。c 。 6 ) 防铁离子污染 在食品、医药以及染料等一些石化产业中，产品中的铁离子含量往往要受到 严格控制，因此相关设备不宜采用普通钢材制造，而须选用不锈钢或有色金属材 料。铝材由于价格便宜，最常用于制造防铁离子污染容器。 1 2 2 相关标准与规范 近年来，随着有色金属压力容器的设计制造水平不断提高，国内外相关标准 规范的制订完善工作在业内得到重视。国外标准中，美国a s b p v c 、日本j i s b8 2 6 5 、j i sb8 2 6 6 、j i sb8 2 6 7 、欧盟e n1 3 4 4 5 、德国a d2 0 0 0c o d e 、英国p d 5 5 0 0 以及俄罗斯f o c f2 6 1 5 8 等标准都对有色金属压力容器的设计、制造和使用 做了相关规定。国内方面，2 0 0 2 年和2 0 0 6 年，我国针对铝制、钛制、铜制和镍制 压力容器分别制订了四部标准，2 0 0 9 年新颁布的t s gr 0 0 0 4 固定式压力容器安 浙江大学硕士学位论文绪论 全技术监察规程( 以下简称容规) 对有色金属压力容器的相关规定又作了部 分修改和补充，2 0 1 0 年，我国又制订了锆制压力容器标准。至此，我国已初步形 成了一套完整的有色金属压力容器标准体系。 表1 - 2 主要工业国家或地区的有色金属压力容器相关标准和规程 各标准中涉及的有色金 国家或 标准或规范号标准或规范中文名称 属压力容器种类 地区 铝铜镍钛 锆 铅 美国 a s m 【eb p v c 一2 0 1 0 锅炉及压力容器规范 o o o o o j i sb8 2 6 5 - 2 0 0 3 压力容器的构造一般事项 o o o oo ( 2 0 0 6 ，2 0 0 8 年修订) 日本 j i sb8 2 6 6 2 0 0 3 压力容器的构造特定规格 o o o o ( 2 0 0 6 年修订) j i sb8 2 6 7 - 2 0 0 8 压力容器的设计 o o o oo 9 7 2 3 e c 承压设备指令 o 欧盟 e n13 4 4 5 2 0 0 9 非受火压力容器o 德国 a d2 0 0 0c o d e 2 0 0 9 压力容器技术规范o o 法国 c o d a p 2 0 0 5 非受火压力容器建造规范 oo 英国 p d 5 5 0 0 - 2 0 0 9 非受火融合焊接压力容器规范 o o o r d c f2 6 15 8 19 8 4 有色金属容器和设备、强度计算规 ( 1 9 8 8 年修订)定与方法一般要求 0 o o c r2 6 0 1 8 5 8 1 9 8 8 镍基耐蚀合金焊接容器与设备 俄罗斯 一般要求 o 钛制容器和设备强度计算公式 o c r2 6 - 0 l - 2 7 9 1 9 7 8 o 和方法 o c r2 6 i i 0 6 19 8 5 钛及钛合金焊接容器和设备一 ( 1 9 8 7 年修订)般技术要求 。 t s gr 0 0 0 4 - 2 0 0 9 固定式压力容器安全技术监察规程o o o o j b 厂r4 7 3 4 2 0 0 2 铝制焊接容器o 璐h4 7 4 5 2 0 0 2 钛制焊接容器o 中国 j b 厂r4 7 5 5 2 0 0 6 铜制压力容器o m 厂r4 7 5 6 2 0 0 6 镍及镍合金制压力容器 o n b 厂r4 7 0 11 2 0 1 0 锆制压力容器 o 表1 2 中列举了主要工业国家和地区现用的有色金属压力容器相关标准及规 范。其中，美国、日本、欧盟及欧洲各国均是在整个压力容器标准中针对有色金 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 属压力容器设有专门的章节。而我国和俄罗斯的有色金属压力容器标准则单独成 册。 目前，国际压力容器行业主要分为两大市场。一个是以a s m eb p v c 标准 体系为主导的北美和亚太市场。我国和日本的压力容器标准基本上都是参照 a s m eb p v c 标准制订的。另一个则是以e n 标准体系为主导的欧盟市场。2 0 0 2 年，随着欧盟9 7 2 3 e c 承压设备指令的正式执行和e n1 3 4 4 5 非受火压力 容器的颁布，欧盟内部各国相继取消了原有的国家标准( 英国p d5 5 0 0 、法国 c o d a p 和德国a d2 0 0 0c o d e 并非国家级标准，因此保留，但也在逐渐融入 e n 标准体系) ，并在采用统一标准的基础上逐渐形成了统一的市场。此外，俄 罗斯作为传统的工业大国，其压力容器制造能力在国际市场上也具有一定的影响 力，但俄罗斯目前仍沿用前苏联的压力容器标准，且已长时间未作改进。 我国在有色金属压力容器方面的研究工作起步较晚，设计制造各方面同欧美 先进水平都仍有差距。要提高我国有色金属压力容器的国际竞争力，不但需要研 究、学习国外的先进技术，更需要在吸收、消化的基础上，致力于走出自己的创 新道路。 1 3 有色金属压力容器设计制造现状 1 3 1 材料 。 种类及加工状态压力容器选材时，通常要综合考虑材料的力学性能、物理 性能、化学性能、价格成本以及供应情况等。从材料种类看，铝和铜的使用量远 大于其他有色金属。钛、镍、锆等由于价格昂贵，一般只在钢、铝、铜不能满足 使用要求时才会选用。从材料形状看，压力容器用材包括板材、管材、棒材、型 材、锻件和铸件，其中板材和管材使用最多。加工状态方面，铝材用于压力容器 受压元件时主要采用退火和加工硬化状态，铜材主要采用退火和热加工状态，镍 材主要采用退火和固溶状态，钛和锆等主要采用退火状态【2 - 4 。 压力容器用材一般应从压力容器标准规定的牌号和加工状态中选择，而规定 范围外的材料，应通过评审，经协商才可使用。我国有色金属压力容器标准中列 举的材料种类及加工状态与欧美及日本标准相比并无太大差异，只是具体的材料 牌号和数量有区别。表1 3 t 岳1 3 1 和表1 4 【6 m ，1 4 1 统计了国内外标准中规定的压力容 器用铝板和铜板的种类及加工状态。、 浙江大学硕士学位论文 绪论 表1 - 3 国内外标准中规定的压力容器用铝板1 6 - 1 3 1 标准种类及牌号数量2加工状态1 a s m eb p v c 纯铝2 种、铝锰合金2 种、铝镁合金8 种o 、h 1 铝镁硅合金1 种t 4 、t 6 美国 a s m 匣b p v c 铝锰合金2 种、铝镁合金4 种o 、h 2 铝镁硅合金1 种 t 4 、t 6 j i s b8 2 6 5 纯铝5 种、铝锰合金3 种、铝镁合金7 种 o 、h j i sb8 2 6 7 铝镁硅合金1 种、铝镁锌合金1 种t 4 、t 6 日本 铝锰合金3 种、铝镁合金7 种o 、h j i sb8 2 6 6 铝镁硅合金1 种t 4 、t 6 欧盟 e n1 3 4 4 5 8 纯铝3 种、铝锰合金3 种、铝镁合金1 1 种o 、h 德国a d 2 0 0 0 c o d e纯铝4 种、铝镁合金3 种o 、h 纯铝1 种、铝锰合金2 种、铝镁合金4 种 o 英国p d 5 5 0 0 铝镁硅合金2 种 t 6 纯铝4 种、铝锰合金2 种、铝镁合金5 种o 、h 中国 j b 厂r4 7 3 4 铝镁硅合金1 种t 4 、t 6 注1 ：o 为退火状态，h 为应变硬化状态，t 4 为固溶处理后自然时效，t 6 为固溶处理后人1 时效各标准 中的h 状态又细分为多种，表中未作详述 2 ：纯铝为l x x x 系铝合金，铝锰合金为3 x x x 系铝合金，铝镁合金为5 x x x 系铝合金，铝镁硅合金为6 x x x 系 铝合金，铝镁锌合金为7 x x x 系铝合金 力学性能为了保证压力容器用材的力学性能，国内外标准通常都要规定其 室温抗拉强度和规定延伸强度保证值，并据此确定材料的许用应力。但由于冶炼 工艺及技术水平的差异，即使是同等级牌号材料，各标准中的力学性能要求也不 尽相同，如表1 5 中所示【d 1 7 1 。 虽然我国有色金属压力容器标准中都规定了o 2 非比例延伸强度( 以下简 称r p o 2 ) 和抗拉强度的下限保证值，但实际上国内目前仍缺少权威部门来统计 有色金属材料的真实力学性能，且相关材料标准中的力学性能要求也不全面，因 此国内有色金属压力容器标准中规定的强度保证值多是参考国外标准制订的。国 产有色金属压力容器用材必须经力学性能检测后才能使用。 6 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 - 4 国内外标准中规定的压力容器用铜板f 丘1 2 1 4 1 标准种类及牌号数量加工状态1 a s 正b p v c 纯铜8 种 o 、h 1 黄铜6 种、青铜2 种、白铜2 种 o 、m 美国 a s m 匣b p v c 黄铜1 种、白铜2 种 o 、m 2 青铜2 种 。 j i s b8 2 6 5 纯铜4 种黄铜2 种、自铜2 种、青铜4 种 。或f 日本j i sb8 2 6 6 纯铜4 种、青铜2 种、黄铜2 种、白铜2 种。或f j i sb8 2 6 7 纯铜3 种、黄铜1 种、白铜1 种、青铜2 种。或f 德国 a d 2 0 0 0c o d e纯铜1 种、黄铜6 种、青铜2 种、白铜2 种 各牌号状态不同 纯铜1 种o 、h 、m 英国 p d 5 5 0 0 黄铜3 种、青铜3 种、白铜1 种 。 中国 鹏厂r4 7 5 5 2 0 0 2 纯铜5 种，黄铜6 种、青铜1 种、白铜3 种 m 、r 注1 ：各国的铜材加3 - 状态编制方式不同，我国的m 和其他国冢的o 表不退火状态；我国的r 、欧洲和美 国的m 以及日本f 表示热加3 - 状态；欧洲和美国的h 表示冷加3 - 状态 1 3 2 设计方法 目前，美国、日本和欧盟的压力容器标准中均已允许有色金属压力容器采用 常规设计和分析设计方法，而我国现行的有色金属压力容器标准中仅有常规设计 方法。常规设计方面，国内外标准中的设计准则基本一致 7 , 1 1 , 1 2 , 1 8 1 ；而分析设计 方面，美日与欧盟存在较大的差异 8 , 1 9 - 3 0 】，且近几年各标准都仍在不断的改进， 特别是2 0 0 7 年美国颁布的a s m eb p v c 2 标准较前一版本有较大改动。 设计规定压力容器设计一般要符合标准中所提出的设计压力、设计温度、 载荷和腐蚀裕量等方面的规定。由于材料特性不同，有色金属压力容器的设计规 定与钢制压力容器还存在一些差异，如最高设计压力和设计温度范围等。 容器的最高设计压力与材料强度其实并无决定性关系，但对于一些强度较低 的材料，设计压力过高可能会导致壳体壁厚过大。因此为了避免材料质量问题和 制造工艺上的困难，容器的设计压力不宜过高。我国压力容器标准中规定，常规 设计方法的最高设计压力为3 5 m p a ，而美国规定为2 0 m p a ，日本规定为3 0 m p a ， 欧盟及欧洲各国则未作规定，但对于铝制压力容器，我国设有特殊规定。腰厂r 4 7 3 4 2 0 0 2 铝制焊接容器中规定其最高设计压力为8 m p a ，由于实际应用中铝 7 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 - 5 国内外压力容器标准中同等级牌号板材的强度下限保证值比较1 6 。1 7 1 强度下限保证值比较m p a 材料种类 中国美国 日本 欧盟英国德国 牌号 5 0 8 3a 9 5 0 8 3 a 5 0 8 3 5 0 8 3 5 0 8 35 0 8 3 铝 r p o 2 1 2 51 2 51 2 51 2 51 2 51 1 0 2 7 52 7 52 7 52 7 02 7 52 7 0 牌号 h 6 2c 2 8 0 0 0c 2 8 0 0 c u z n 4 0 铜 r p o 2 1 0 01 4 01 2 5 1 2 0 如2 9 03 4 53 1 53 4 0 牌号 n s 3 1 2n 0 6 6 0 0n a l 4 镍 r p 0 2 2 4 02 4 02 6 5 如5 5 05 5 05 5 0 牌号 t a 2r 5 0 5 5 0t r 4 8 0 c 钛 r p o 2 3 2 03 8 03 4 5 如 4 4 0 4 5 04 8 0 牌号 z r - 5r 6 0 7 0 5 锆 r p o 2 3 8 03 8 0 如5 5 05 5 0 注：表中所比较的板材厚厦均为1 0 m m ，加工状态为退火态 制压力容器已用至1 2 m p a ，因此2 0 0 9 版容规又将其最高设计压力提高至 1 6 m p a ，而国外标准并无此类规定。 当温度超出一定范围时，材料的塑性、强度或耐腐蚀性能会明显降低，因此 各标准通常会针对材料的耐高、低温性能提出容器的适用温度范围。有色金属材 料的耐低温性能普遍较好，如表1 - 6 所示【2 2 1 1 ，通常更应该注意其最高设计温度。 我国标准中规定的有色金属压力容器设计温度范围与美国a s m eb p v c 标准基 本相同。 此外，有色金属压力容器的壳体最小厚度要求往往也与钢制容器不同，但差 异并不大，在此不多赘述。 浙江大学硕士学位论文绪论 表1 - 6 我国标准规定的有色金属压力容器设计温度范围1 2 2 1 l 最高温度最低温度最高温度最低温度 材料材料 含镁量大于3 6 52 6 9 纯铜、黄铜 2 0 02 6 8 铝铜 其他 2 0 0- 2 6 9 青铜白铜4 0 0 2 6 8 钛 3 1 5- 2 6 9 镍9 5 02 6 8 锆3 7 5- 2 6 9 强度、刚度和稳定性设计方法有色金属压力容器的结构强度、刚度和稳定 性设计方法同钢制压力容器并无本质区别。我国有色金属压力容器标准就与g b 1 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器相似，所考虑的失效模式、强度理论以及确定材料许 用应力的因素基本相同，主要差异只是某些设计参数，如焊接接头系数和材料许 甩泣如。 我国标准中规定，焊接接头系数与接头形式和无损检测程度有关，如表1 7 所示【2 1 1 ，具体分类方式与美国和日本标准基本相同，只是系数取值存在一些差 异。如我国标准中规定铝材、钛材和锆材的双面焊对接接头经1 0 0 无损检测后， 焊接接头系数最高可取o 9 5 ，其他材料为1 0 ，而美国和日本标准中规定所有材 料均为1 0 。相比于中美日，欧盟标准中的分类方式则较简单，焊接接头系数仅 与无损检测程度有关。焊缝经1 0 0 无损检测后，焊接接头系数最高可取1 0 ，局 表1 7 我国压力容器标准中规定的焊接接头系数最大值1 2 l i 焊接接头接头形式材料 10 0 无损检测 局部无损检测未检测 铝、钛 o 9 50 8 5 双面焊对接接头和相当于双面 钢、铜、镍 1 o0 8 5 焊的全焊透对接接头 锆 0 9 5 钢、铝 0 9o 8 单面焊对接接头( 沿焊缝根部 铜、钛、镍 0 9o 80 6 5 全长有紧贴基本金属的垫板) 锫 o 90 6 5 钢、铜、镍 0 70 6 单面焊无垫板环向对接接头 钛、锆 0 6 9 浙江大学硕士学位论文绪论 部无损检测后最高可取o 8 5 ，未检测则最高可取0 7 。 国内外标准中各类材料的许用应力计算方法不尽相同，但主要都是考虑材料 的抗断裂性能和抗塑性变形性能，依据屈服强度和抗拉强度共同确定材料许用应 力，部分标准还要考虑材料的持久强度极限和蠕变极限。 近几年，国内外许多标准都调整了有色金属材料的许用应力计算方法，2 0 0 2 年，欧盟颁布的e n1 3 4 4 5 标准规定，材料的抗拉强度安全系数最低可取为2 4 ； 2 0 0 7 年，美国a s m eb p v c - 2 标准也将抗拉强度安全系数也降至2 4 ；2 0 0 9 年，我国新版容规对压力容器用材的许用应力计算方法也作了大幅调整，全 面降低了有色金属材料的抗拉强度安全系数，如表1 8 所示【2 。但同部分欧美标 准相比，新版容规中的抗拉强度安全系数仍偏大。此外，欧盟及欧洲标准还 针对一些塑性较好的有色金属材料采用1 0 非比例延伸强度( 以下简称r p l 0 ) 代替r p o 2 ，以提高许用应力。 表1 - 8 我国压力容器用材( 非螺栓) 的抗拉强度安全系数1 2 1 i 安全系数 材料设计方法 室温下的设计温度下设计温度下的 设计温度下的蠕变极限 抗拉强度的屈服强度持久强度极限平均值( 每1 0 0 0 h 蠕变 如 r 吐( 注)平均值r 7 d率为0 0 1 ) r 。 常规设计2 7r i $ 1 5n d 1 5n n 1 0 钢 分析设计 2 42 1 5 钛、镍 常规设计 r i b 2 7r i s 1 5n d 1 51 0 铝、铜 常规设计 r i b 31 5 锆 常规设计n b 31 5n d 1 52 1 0 垄：旦堕壅里堑堡盐簦塑望生查塑墨旦! 旦! ：! ：董坠堕垡里叠堡垒塑：坐旦墨星! ! ：! 总体来看，近几年国内外标准中的材料许用应力均有所提高。而按新版容 规中的方法计算，我国部分有色金属材料的许用应力较欧美最新标准仍偏低。 1 3 3 制造工艺 压力容器的制造工艺主要包括成形工艺和焊接工艺。同钢制压力容器相比， 有色金属压力容器对加工环境的要求更高，制造过