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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(20080225)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Rp1.0作为屈服强度来计算许用应力。而我国标准中,铝材和钢材的抗拉强度安全系数均取为3.0,并采用Rp0.2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Rp1.0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,H62铜合金、5052和5083铝合金制试验容器的爆破安全裕度依次为4.79、3.92(两台容器的平均值)、3.45。若对H62铜合金制容器采用Rp1.0作为屈服强度来设计,其爆破安全裕度为4.17,仍较高。由H62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25%)、屈强比低的材料采用Rp1.0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,可用于铝制和铜制压力容器的应力应变分析。