基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法技术

本发明专利技术属于双层缩套超高压容器的设计开发技术领域，具体涉及一种基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法。本发明专利技术包括以下步骤：确定双层超高压容器的结构参数；确定容器的循环载荷工况；确定内层筒体及外层筒体内壁轴

【技术实现步骤摘要】
基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法


[0001]本专利技术属于双层缩套超高压容器的设计开发
，具体涉及一种基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法。

技术介绍

[0002]双层缩套结构是由两个同轴的筒体套合在一起而形成的，界面有一定的过盈量配合。具体制造方法是加热外层筒体套入内层筒体后恢复常温，或低温冷却内层筒体套入外层筒体后恢复常温等，使得外层筒体对内层产生一定的预压缩应力，确保应力沿壁厚方向重新分布得更均匀，以此大大提高容器的疲劳设计寿命。由于上述结构的优点及特性，其在大直径、高壁厚超高压容器中被广泛应用。另外对于一些盛装特殊性、腐蚀性介质等的容器，比如盛装氢气的超高压容器，出于与介质相容性的考虑，往往也会设计成内层筒体为抗氢钢且外层筒体为高强钢的双层缩套结构。
[0003]双层缩套结构设计过程中一个最重要的步骤便是过盈量的确定。传统确定方式主要是根据容器的弹性失效理论，探求最佳过盈量使各层应力分布基本上达到相等，即“等强度”设计，旨在内外层筒体同时出现强度失效。在“等强度”设计中，需应用剪应力作为强度的衡量准则，在内压作用下应力的最大值出现于内层筒体内壁及外层筒体内壁，因此必须使内外层筒体内壁的剪应力值达到相等或接近的程度。因此，“等强度”设计对内层筒体和外层筒体的结构尺寸有所限制；当内外层材料相同时，内外层筒体径比必须相等；当内外层材料不同时，内外层筒体径比也必须是特定的比例，比例与内外层材料屈服强度比值相关。
[0004]由于目前超声检测灵敏度的缺陷，双层缩套超高压容器外层筒体和内层筒体的内壁势必会有漏检而没有消除的表面裂纹缺陷，其中内壁轴
‑
径向表面裂纹是容器在制造过程中最为常见的一种典型裂纹，主要呈半椭圆形。基于超高压容器的极高风险性，在超高压容器设计开发领域，往往采用断裂力学的方法进行计算评定，并予以确定许用疲劳寿命。越来越多的工程实践及研究也表明，超高压容器的失效主要是由疲劳而引起的裂纹失稳扩展有关，传统的强度破坏理念并不起到太多作用，现行的技术标准也主要根据断裂力学的理论对超高压容器疲劳寿命进行分析与计算。但颇为遗憾的是，标准中的计算方法都是针对仅承受内压载荷的单层筒体结构。对于双层缩套超高压容器的设计，我国的GB/T 34019
‑
2017《超高压容器》并没有涵盖，美国的ASME BPVC.
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.3《AlternativeRules for Construction of High Pressure Vessels》对此也仅是提及“未爆先漏”失效模式的假设判定，并未给出具体的断裂评定分析与计算，也未公开有关于等疲劳寿命设计的具体最佳过盈量确定方式，使得相关工作人员进行该类计算时往往无据可依。因此，亟待解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法，本专利技术基于超高压容器的等疲劳寿命设计理念，可快速实现最佳过盈量的确定，确保在内外层筒体内壁初始轴
‑
径向裂纹缺陷的基础之上，内层筒体
和外层筒体同时或接近同时失效，以最大化的利用材质。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法，其特征在于包括以下步骤：S1、确定双层超高压容器的结构参数；S2、确定容器的循环载荷工况；S3、确定内层筒体及外层筒体内壁轴
‑
径向裂纹的形状参数；S4、假定系列缩套过盈量；S5、根据超高压容器的结构参数和载荷工况，进行弹性应力分析；S6、进行裂纹扩展计算；S7、根据步骤S6中计算得出的计算值，绘制出过盈量与内层筒体及外层筒体的许用疲劳寿命之间趋势关系示意图；S8、根据步骤S7获得的趋势关系示意图，求取曲线交点，确定最佳过盈量。
[0007]优选的，步骤S1中，结构参数包括外层筒体外半径r
o
、界面处半径r
1,2
、内层筒体内半径r
i
、内层筒体材质及外层筒体材质；步骤S2中，循环载荷工况包括容器在初始工况下的内侧压力载荷、容器外侧压力载荷、温度载荷，以及容器在末态工况下的内侧压力载荷、容器外侧压力载荷、温度载荷，并获得内层筒体和外层筒体的性能参数，包括分别在初始工况及末态工况下的内层筒体和外层筒体的弹性模量、泊松比、材质在操作温度下与20℃之间的平均线膨胀系数、屈服强度及断裂韧性；步骤S3中，形状参数包括外层筒体内壁裂纹深度A
o
、外层筒体内壁裂纹长度l
o
、内层筒体内壁裂纹深度A
i
及内层筒体内壁裂纹长度l
i
。
[0008]优选的，步骤S5中，弹性应力分析包括以下子步骤：S51.按下式计算出操作工况下的界面压力p
1,2
：
[0009]式中：；；；；；
p
1,2
为操作工况下的界面压力，单位MPa；为外层筒体和内层筒体的缩套过盈量，单位mm；r
i
为容器内半径，单位mm；r
1,2
为界面处半径，单位mm；r
o
为容器外半径，单位mm；α
i
为内层筒体选用材质在操作温度下与20℃之间的平均线膨胀系数，单位mm/(mm
·
℃)；α
o
为外层筒体选用材质在操作温度下与20℃之间的平均线膨胀系数，单位mm/(mm
·
℃)；T为操作温度，单位℃；p
i
为容器内侧压力载荷，单位MPa；p
o
为容器外侧压力载荷，单位MPa；E
it
为内层筒体在操作温度下的弹性模量，单位MPa；E
ot
为外层筒体在操作温度下的弹性模量，单位MPa；μ
it
为内层筒体在操作温度下的泊松比；μ
ot
为外层筒体在操作温度下的泊松比；S52.垂直于内层筒体内壁轴
‑
径向裂纹所在平面的应力的分布公式如下：
[0010]垂直于外层筒体内壁轴
‑
径向裂纹所在平面的应力的分布公式如下：
[0011]式中：为垂直于内层筒体内壁轴
‑
径向裂纹所在平面的应力，单位MPa；为垂直于外层筒体内壁轴
‑
径向裂纹所在平面的应力，单位MPa；p
i
为容器内侧压力载荷，单位MPa；p
o
为容器外侧压力载荷，单位MPa；p
1,2
为操作工况下的界面压力，单位MPa；r
1,2
为界面处半径，单位mm；r
i
为内层筒体内半径，单位mm；r
o
为外层筒体外半径， 单位mm；x为裂纹从自由表面起所测得的距离，单位mm。
[0012]优选的，步骤S6中，裂纹扩展计算使用ASME BPVC.
Ⅷ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法，其特征在于包括以下步骤：S1、确定双层超高压容器的结构参数；S2、确定容器的循环载荷工况；S3、确定内层筒体（10）及外层筒体（20）内壁轴
‑
径向裂纹的形状参数；S4、假定系列缩套过盈量；S5、根据超高压容器的结构参数和载荷工况，进行弹性应力分析；S6、进行裂纹扩展计算；S7、根据步骤S6中计算得出的计算值，绘制出过盈量与内层筒体（10）及外层筒体（20）的许用疲劳寿命之间趋势关系示意图；S8、根据步骤S7获得的趋势关系示意图，求取曲线交点，确定最佳过盈量。2.根据权利要求1所述的基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法，其特征在于：步骤S1中，结构参数包括外层筒体（20）外半径r
o
、界面处半径r
1,2
、内层筒体（10）内半径r
i
、内层筒体（10）材质及外层筒体（20）材质；步骤S2中，循环载荷工况包括容器在初始工况下的内侧压力载荷、容器外侧压力载荷、温度载荷，以及容器在末态工况下的内侧压力载荷、容器外侧压力载荷、温度载荷，并获得内层筒体（10）和外层筒体（20）的性能参数，包括分别在初始工况及末态工况下的内层筒体（10）和外层筒体（20）的弹性模量、泊松比、材质在操作温度下与20℃之间的平均线膨胀系数、屈服强度及断裂韧性；步骤S3中，形状参数包括外层筒体（20）内壁裂纹深度A
o
、外层筒体（20）内壁裂纹长度l
o
、内层筒体（10）内壁裂纹深度A
i
及内层筒体（10）内壁裂纹长度l
i
。3.根据权利要求2所述的基于等寿命设计的双层超高压容器的最佳过盈量确定方法，其特征在于：步骤S5中，弹性应力分析包括以下子步骤：S51.按下式计算出操作工况下的界面压力p
1,2
：式中：； ；；；；p
1,2
为操作工况下的界面压力，单位MPa；为外层筒体（20）和内层筒体（10）的缩套过盈量，单位mm；r
i
为容器内半径，单位mm；r
1,2
为界面处半径，单位mm；r
o
为容器外半径，单位mm；

【专利技术属性】
技术研发人员：汪志福，秦宗川，范志超，牛铮，范海俊，戴兴旺，危书涛，朱金花，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：