椭圆形封头是承压设备的常用封头之一,广泛应用于核电、石化、食品加工等行业。随着承压设备呈现出大型化、轻量化的趋势,椭圆形封头也相应趋于超大、超薄。例如,CAP1400核电站钢安全壳采用了直径43 m、壁厚43 mm的超大超薄椭圆形封头。在内压作用下超大超薄椭圆形封头会发生屈曲失效。因此,屈曲失效是超大超薄内压椭圆形封头设计需考虑的一种重要失效模式。然而,超大超薄椭圆形封头的内压屈曲特性及其机理尚不明确,且现有屈曲判据未充分考虑封头尺寸等因素对屈曲的影响规律,并缺少适用范围广且精度高的椭圆形封头屈曲压力预测公式。此外,国外标准ASME BPVC VIII-1和VIII-2及EN13445-3将椭圆形封头等效为碟形封头的设计方法过于保守。中国标准GB/T150和JB4732仍缺少椭圆形封头防屈曲设计公式。因此,为形成内压椭圆形封头防屈曲设计方法,亟待开展椭圆形封头屈曲预测方法研究。因此,本文在大型先进压水堆核电站国家重大科技专项的支持下,开展了超大超薄内压椭圆形封头屈曲行为及预测方法研究,主要研究内容与结论如下:(1)国内首次开展超大(Φ5000)超薄椭圆形封头的内压屈曲试验研究。攻克了定区域破坏装置设计、超大封头变形测量、水压环境大变形应变片密封测试等关键技术,研制了超大封头屈曲试验装置,成功实施了超大超薄封头屈曲试验。获得了屈曲波纹位移、波纹应变、屈曲压力等试验数据,从而为验证封头屈曲预测模型及研究屈曲行为提供试验数据支撑。(2)构建了椭圆形封头屈曲全过程预测模型,采用增量非线性屈曲分析方法实现了理想形状封头和含形状缺陷封头屈曲全过程模拟。构建了两种含形状缺陷的预测模型。将封头实测初始形状直接导入预测模型。基于封头实测初始形状,形成形状缺陷表征方法,进而构建了含表征缺陷的预测模型。最后,比较模拟结果和试验结果,验证了封头屈曲全过程预测模型的准确性。(3)基于封头屈曲全过程预测模型和试验结果,深入研究了内压椭圆形封头屈曲行为,揭示了径厚比、径高比、屈服强度、应变硬化、形状缺陷等参数对封头屈曲的影响规律,探明了椭圆形封头屈曲局部性、渐进性和自限性及其形成机理。研究表明:屈曲波纹在封头过渡区局部位置形成,具有局部性。随压力升高,波纹长大,且波纹数量逐渐增加,是一个渐进的过程。有的屈曲波纹是缓慢增大的,也具有渐进性。最后波纹会变小、甚至消失,具有自限性。随径厚比或径高比减小,屈曲压力降低,波纹由突然产生变为缓慢形成;屈曲压力随屈服强度增大而升高;应变硬化可提高封头抗屈曲能力,但对于径厚比较大的封头,应变硬化对屈曲压力的影响不大;封头屈曲对形状缺陷(焊接接头棱角)较为敏感,屈曲压力随棱角高度增大而降低。由于封头过渡区向内收缩变形,使其受环向压缩应力,是内压屈曲的形成原因;而当压力较高时,由于封头球化作用,压缩应力会随压力升高而减小、甚至转为拉伸应力,因而屈曲出现自限行为。(4)采用封头屈曲预测模型进行大量参数分析,结合工业规模封头屈曲试验数据修正,提出了椭圆形封头屈曲判据,创建了椭圆形封头屈曲压力预测新公式。共获得了21个工业规模封头试验数据,包含多种直径(Φ500、Φ1200、Φ1800、Φ4797、Φ5000等)、径厚比(250、400、600、872、909等)、径高比(1.728、2、2.2、2.4、2.5等)、材料(碳素钢、奥氏体不锈钢等)和制造工艺(冷冲压、冷旋压和分瓣加工)。经工业规模封头试验数据验证,本文提出的屈曲判据比现有屈曲判据更加合理、准确;与现有预测公式相比,本文创建的屈曲压力预测新公式在适用范围和精度方面具有明显的综合优势。屈曲判据的提出和屈曲压力预测新公式的创建,为形成内压椭圆形封头抗屈曲设计方法提供了技术支撑。