压力容器锻件失效与设计准则

压力容器锻件的失效大致可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效四大类。

因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蟠变断裂、腐蚀断裂等。压力容器的断裂就意味着爆炸或泄漏，危害极大。韧性断裂和脆性断裂是两种常见典型断裂形式。韧性断裂的特征是断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长延伸率可达10%〜20%，基本无碎片，断口与主应力方向呈45%断裂时应力通常达到材料的强度极限。脆性断裂的特征是断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形，其断口齐平，并与最大应力方向垂直，常呈碎片状，危害大，断裂时其应力往往远低于材料的屈服极限，故称低应力脆性断裂。

②刚度失效

由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。例如，露天置立的塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。

③失稳失效

在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的破坏称为失稳失效。例如，承受外压或真空的容器锻件，就存在失稳的可能性。

④泄漏失效

由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。例如密封面的泄漏及局部开裂或穿孔引起的泄漏。

表征压力容器达到失效时的应力或应变等定量指标，称为失效判据。为防止容器发生失效，使其达到安全可靠，通常在失效判据中引入安全系数，从而得到与失效判据相对应的强 度或刚度等计算式，这就是设计准则。同一种失效形式，可因表征其失效时的理论基础及其力学性能参量不同，有时会有一个以上的失效判据，此时的设计准则表达式也会相应有几种。例如弹性失效准则就是这样。

压力容器锻件技术发展至今，各国设计规范中已经逐步形成如下的设计准则：强度上防失效的设计准则有弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、安定性设计准则、疲劳设计准则、蠕变设计准则、低应力脆断设计准则等。另外还有防刚度失效的位移设计准则、失稳失效设计准则及泄漏失效设计准则。而在各种失效设计准则中，传统和至今仍应用最普遍的是弹性失效设计准则。我国GB150也是采用弹性失效设计准则。

我国大多压力容器锻件采用常规法设计，其相应的强制性通用标准为GB150;而某些特殊要求压力容器采用应力分析法设计，其相应强制性行业标准为JB4732。GB150和JB4732 分别代表了不同的设计方法与设计理念，应注意和理解二者间的区别。

②应力强度计算方法不同前者以材料力学及板壳理论的平均薄膜应力为基础，对局部高应力给予应力增强系数，以最大主应力理论计算应力强度；而后者以板壳理论与弹塑性力学为基础，对应力进行详细分类，按最大切应力理论进行应力强度计算。

③应力强度限制条件不同前者应力不加区别，均以限制；后者按不同性质应力区别对待，以不同安全系数进行限制。

④适用条件不同前者限标准中规定的压力容器通用结构，压力不大于35MPa，不适用疲劳设计；而后者适用于各种压力容器结构，压力可达100MPa,可用于疲劳设计。

分析法设计的压力容器锻件，壁厚较小，节省材料，并能保证在各种苛刻条件下长期安全运行，但其设计工作量大，对材料、制造、检验及运行操作条件要求更为严格。因此，分析设计目前仅在具有特殊复杂结构或承受疲劳破坏载荷及某些大型高压容器的设计中考虑采用，而大多通用压力容器仍采用常规法设计。