两种常用铝制压力容器强度安全裕度研究

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doi：10.3969/j.issn.1001-4837.2013.02.002Strength Margin Analysis for Two Aluminum -made Pressure VesselsSHENG Shui-ping ，HAN Shu-xin ，ZHENG Jin-yang ，LI W ei-zhong ，MAO Li-hui。，ZHOU Ning ，LIU Yan-lei ，CHEN Hai-yun ，TANG Xiao-hui(1.Hangzhou Special Equipments Inspection Institute，Hangzhou 3 10003，China；2.Institute of ChemicalMachinery nd Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3.Hangzhou HangyangCo.，Ltd.，Hangzh0u 310004，China)Abstract：Comparison and analysis on aluminum -made pressure vessel domestic and international stand。

ards were carried out，yield strength iS the main factor to affect the aluminum allowable stress.Tensiletests for two kinds common use materials 5052 and 5083 were done。the maximum allowable pressureswere calculated.The burst pressures of finite element calculation and experiment for 5052 and 5083 wereobtained.The results show that aluminum -made pressure vessels still have enough strength margins afterthe aluminum allowable stress is increased when n is from 4 to 3 for TSG R0004 2009，and the strengthmargins are not enough when Rp1.0 replace Rp0. 2。

Key words：yield strength；alowable stress；light-weigh；strength margin言 星 嚣 茎近年来，国际压力容器行业竞争不断加剧，为 全的前提下，减薄壁厚、减轻重量。随着有色金属基金项 目：浙江省质检系统科研项目(20080225)；国家质检总局科技计划项 目(2008QK127)CPVT 两种常用铝制压力容器强度安全裕度研究 Vo130.No2 2013压力容器的应用越来越广泛，其在压力容器行业中所处的地位越发不容忽视，因此，实现有色金属压力容器轻型化对节能降耗、提高产品经济性和竞争力具有十分重要的意义 J。

目前，中国、美国、日本和欧盟及欧洲各国和ISO都采用了变形铝及铝合金国际牌号注册协议组织”的国际四位数字体系牌号命名方法，各国铝材标准中同-牌号的化学成分要求也相同 J。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延伸强度保证值，并据此确定材料的许用应力，表 1中对国内外标准中铝材(非螺栓)的室温许用应力计算方法l6 作了简单的比较。。

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。2002年，欧盟颁布的EN 13445标准规定，材料的抗拉强度安全系数 n最低可取为2.4；2007年，美国ASME BPVCⅧ -2标准也将 /'b6降至 2.4；2009年，我国 TSGR0004-2009(简称《固容规》)调整了压力容器用材的许用应力计算方法，降低了部分材料的n 。

其中，铝材n 从4.0降为3.0。此外，欧洲标准还针对-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 。)代替 P0. ，以提高许用应力。

文中对于两种常用的铝合金 5052，5083，从材料及焊接接头力学性能和静强度失效方面，采用有限元分析数值计算爆破压力，并对铝制容器进行了爆破试验，以验证提高我国部分铝材的许用应力可行性。

1 拉伸试验为了验证、分析国产材料的真实力学性能以及国内的焊接工艺水平，对两种常用的压力容器用材5052，5083铝合金进行了母材和焊接接头的常温单向拉伸试验，如图1所示。本次试验采用矩形拉伸试样，铝合金试样厚度分别为8，10，12，14，16 mm，每种厚度的母材和焊接接头试样各 1组，每组3个试样。其中8，10 mm的5052铝合金板材为退火状态，其余均为 H112状态。母材试样的试验结果如图2所示，图中，实线、虚线分别表示我国标准中规定的 舢 和抗拉强度的下限保证值。

. 16 ·表 1 国内外标准中铝材(非螺栓)的室温许用应力计算方法标准 材料分类 许用应力计算方法①ASME BPVC min 售) Ⅷ-1美国②ASME BPVC min 售) Ⅷ-2JIS B8265 min 售)日本 JIS B826 min 售)JIS B8267 min 售)纯铝 1. 5非热处理 min岛售) 欧盟③ EN 1345-8 铝合金热处理 min 售) 铝合金纯铝AD 20o0 1.5德国③ CODEmin 售) 铝合金英国 PD 50 min 售)JB/T 4734-min 售) 20o2中国###TSG R0o4- min 售) 209(固容规》注：①列表中未考虑持久强度极限和蠕变极限；②美国标准中，材料的屈服强度有时采用 尺 5，其数值上与 R∞2相近，表中统-记为R .2；③欧盟 EN和德国AD对纯铝(A1≥99%)采用了R 0；④JB/T 4734-2002铝制压力容器标准只能依据当时的铝板标准GB/T 3880-1997中的强度数据，2008版铝板标准中有些力学性能的保证值改变了，可以按照新版铝板标准中的数据去设计计算。

图1 单向拉伸试验第 30卷第2期 压 力 容 器 总第243期320280山 皇200暖l2012 l6厚度/ram(a) 5052铝合金l2 l6厚度/mm(b) 5083铝合金图2 铝合金母材强度比较了国内外标准，我国压力容器标准 JB/T4734-2002中的规定引用 自国内 GB/T 3880-1997材料标准，要求与美国标准相同，12，14 mm的 H1 12状态 5052铝合金板材强度有-个跳跃值，不合理，而国内GB/T 3880.2-2006材料标准 却是参考欧盟材料标准制订的，两个版本中Hl12状态5052铝合金的力学性能保证值不同。

从母材的试验结果可以看出，12，14 mm的 Hl12状态5052铝合金板材，试样的力学性能只满足新版材料的要求。

焊接接头试样的试验结果如图3所示，图中实线、虚线分别表示我国标准中5052，5083铝合金板材规定的焊接接头抗拉强度下限保证值，即退火态母材的抗拉强度下限保证值∩以看出，5083铝合金的焊接接头力学性能并不好，14 mm试样的抗拉强度没有达到我国标准的要求。

试验板材厚度为 10 mm，加工状态：5052退火状态为 O，5083加工硬化状态为 H112，容器简体用材与拉伸试样取自同-批板材。图4示出试验所得的工程应力-应变曲线，表 2列出曲线对应的主要参数值。

320面280室要20日凸-窖Hl6O12 16厚度/mm图3 焊接接头力学性能试验值图4 工程应力-应变曲线表 2 力学性能参数值加工 E Rpo 2 。l 0 R A 材料状态 /MPa /MPa /MPa /MPa /%5052铝合金 0 70644 81.05 99.55 195.65 365083铝合金 H112 75835 156.78 188.26 322.37 22.4表 2中数据通过拉伸试验得到，我国标准中没有提供R 。的下限值，文中调整方案中涉及的。均根据标准中规定的R 下限值，以及拉伸试验结果中R 和R 。的比例关系换算所得，则5052，5083铝合金 0的下限值分别为79.84，150.10 MPa。

0 O O O 加 6皇、 嚼CPVT 两种常用铝制压力容器强度安全裕度研究 Vo130.N02 20132 最大允许工作压力奥氏体不锈钢、铝、铜、镍等面心立方晶格的材料屈强比低，塑性变形性能好，在确定许用应力时主要以屈服强度为控制因素H ，降低n 对提高许用应力多不起作用，因而提高许用应力的主要措施应为R pl。代替 Rp0. 来确定许用应力 。文中确定提高许用应力的调整方法，调整方案 1：将n 从 3调整为 2.4；调整方案 2：在方案 1的基础上，以 p1.。代替R 。非比例延伸强度安全系数皆为 1.5。5052，5083铝合金许用应力见表3，可看出，TSG R0004-2009较 JB/T 4734-2002，n从4调整为3，对5052材料许用应力提高不多，而5083材料许用应力提高22%；对于调整方案 1(8) 带杏管试验容器将n 从3调整为2.4，许用应力没有变化，许用应力主要撒于屈服强度(非比例延伸强度)；而调整方案2以R 0代替 p0.2，对5052，5083材料许用应力较方案 1或TSG R0004-2009提高分别为23% ，20% 。 。

表 3 5052，5083铝合金许用应力[ ] MPaJB/T ISG 材料 方案 1 方案 24734--20o2 RO0O4-20095052 42 43 43 535083 68 83 83 100爆破试验铝制容器结构尺寸如图5所示，尺寸参数见表4，按中径公式计算最大允许工作压力。表5列出5052，5083铝合金容器的最大允许工作压力。

图5 试验容器结构尺寸图表 4 试验容器结构尺寸参数 mm简体 封头 简体接管外直径内直径 长度 厚度 内直径 曲面深度 厚度 杏管 大接管500 l0o0 10 500 125 14 45 128表5 5052。5083铝合金容器的最大允许工作压力 P MPaJB/T TSG 材料 方案 1 方案 24734--2002 Ro0o4-20095052 1.65 1.70 1.70 2.095083 2.67 3.25 3.25 3.923 力学性能数值研究采用数值计算方法模拟5052，5083铝合金制容器在静载荷下的力学行为，并分别根据数值计算结果来预测容器的全屈服压力和爆破压力。材· 18·(b) 带大接管试验容器料参数数值计算所采用的材料参数取自拉伸试验结果。数值计算采用 1/4容器模型，模型采用六面体网格划分，具体情况如图6所示。为了提高应力集中区域的计算精度，各接管与壳体相贯区域的网格划分相对细密。模型单元选用三维 2O节点实体单元Solid 95，模型共包含20128个单元和98756个节点。

图6 网格划分情况根据模型的对称性，对容器平行于轴向的对第30卷第2期 压 力 容 器 总第243期称面加载对称约束，并将垂直于轴向的对称面的轴向位移固定。根据实际的承压情况，将容器内表面和各接管承受内压部分加载内压载荷，各接管的外端口加载反向等效载荷。牛顿-拉普森法用于材料或结构不稳定时的收敛性可能较差，计算精度往往较弧长法低 ，因此预测爆破压力采用弧长法的计算结果。

对5052铝合金杏管容器(如图5(a)所示)进行应变测试，有限元数值计算与实测应变结果对比(如图7所示)，可以较好地吻合。

0.6旧 0.00 350 700距筒体中心距离/mm(a) 3.8 MPa时各测点的环向应变容器内JdMPa(b) 测点环向应变随内压变化情况图7 有限元数值计算与实测应变结果对比表6列出了两种铝制容器通过数值计算预测的屈服压力及其安全裕度，其中，调整方案 1，5052，5083铝合金制容器的屈服安全裕度分别为1.70，1.63，大于1.5；而调整方案2，分别为1.39，1.35，小于 1.5。

表6 铝制容器数值计算的全屈服压力及其安全裕度全屈服压力 屈服安全裕度材料 /MPa 方案 1 方案 25052 2.9 1.7O 1.395083 5.3 1.63 1.35表 7列出了两种铝制容器通过数值计算预测的爆破压力及其安全裕度。对调整方案2，爆破安全裕度分别为3.97，3.26，大于3，仍较高。

表7 铝制容器数值计算的爆破压力及其安全裕度爆破压力 爆破安全裕度材料/MPa 方案 l 方案25O52 8.3 4.88 3.975083 12.8 3.94 3.264 爆破试验与钢制压力容器相比，铝制压力容器的使用诚较少，可供研究参考的工程应用数据和试验数据相对缺乏。通过容器爆破试验来研究铝制压力容器的强度裕度，并与数值计算结果作对比。

本次共对 4台容器进行了爆破试验，5052铝合金、5083铝合金材料各 2台(图5(a)，(b)各 1台)，容器用材与拉伸试样取自同-批板材。

试验设备主要为多功能高压设备安全性能检测装置，如图8所示。

图8 试验设备试验采用水压加载，初始加载速率定为0.1MPa/min，随着容器进入塑性变形阶段，加载速率受到增压泵进水量的限制而逐渐降低。爆破结束后，记录爆破压力值，并测量筒体的形貌变化。

2台5052铝合金制容器爆破压力试验结果· 19·CPVT 两种常用铝制压力容器强度安全裕度研究 Vol30.No2 20l3为8.1，8.2 MPa。2台5083铝合金制容器爆破试验，1台于 11.2 MPa时爆破失效；另-台于 8.2MPa时泄漏失效，泄漏点位于筒体大接管根部的焊缝上(这在实际工程应用中是不允许出现的，铝制压力容器的焊接质量检测尤为重要)。3台容器的破口也均位于筒体接管两侧，与数值计算结果-致，如图9所示。铝制容器的爆破安全裕度列于表 8。

图9 铝制试验容器破口位置表8 铝制容器试验爆破压力及其安全裕度爆破压力 爆破安全裕度材料/MPa 方案 1 方案 25052 8.1 4.76 3.875083 l1.2 3.45 2.85表 8列出了两种铝制容器的试验爆破压力及其安全裕度，其中，调整方案 1，5052，5083铝合金制容器的爆破安全裕度分别为 4.76，3.45，大于3，仍较高；调整方案2，5052铝合金制容器的爆破安全裕度为3.87，大于3，仍较高；而5083铝合金制容器的爆破安全裕度 2.85，略小于 3。

5 结论(1)强度安全系数、屈服强度是影响铝材许用应力的主要因素，TSG R0004-2009《固容规》较 JB/T 4734-2002，n 从4调整为 3，对 5052材料许用应力提高不多，而5083材料许用应力提高22%。针对5052，5083铝合金材料，/， 从 3调整为2.4，许用应力没有变化；而以 R 。代替 Rp0.：，许用应力分别提高23%，20%。

(2)TSG R0004-2009《固容规》或调整方案1，5052，5083铝合金制容器的数值计算预测的屈· 20·服安全裕度分别为1.70，1.63，大于 1.5；数值计算预测的爆破安全裕度分别为4.88，3.94，大于3。而实测爆破安全裕度分别为4.76，3.45，大于3。因此，针对 5052，5083两种铝制容器，TSGR0004-2009(固容规》或调整方案l，不管数值计算预测的屈服压力、爆破压力，还是试验的爆破压力，皆有足够的安全裕度。

(3)调整方案2，5052，5083铝合金制容器的数值计算预测的屈服安全裕度分别为 1.39，1.35，都小于容器标准中规定的屈服强度的安全系数 1.5，应力偏不安全；5083铝合金制容器的实测爆破安全裕度2.85，小于容器标准中规定的抗拉强度的安全系数 3.0。因此，对调整方案2，从5052，5083两种铝制容器数值计算预测的屈服压力，5083铝合金制容器的实测爆破压力，存在强度裕度不足。

(4)许用应力的提高是建立在材料力学性能等基础上，同时还与设计方法、制造能力、检测水平、管理水平、使用环境、维护方式等多方面因素有关，其中焊接接头性能需重点考虑。若以R 。

代替R加. ，材料的性能还有待于提高，