Критерий отказа
Критерий отказа — принцип, согласно которому при проектировании элементов судна делается вывод о том, что судно не может выдерживать нормальную эксплуатационную нагрузку.
Для сосудов высокого давления существует два вида критериев отказа: критерий отказа по прочности и критерий отказа по жесткости.
Критерии разрушения прочности
Под разрушением прочности обычно понимают разрушение, вызванное растягивающими (включая изгиб, сдвиг) напряжениями элементов контейнера.
Критерии разрушения по прочности включают следующие девять типов.
I. Упругий отказ
При использовании критерия упругого разрушения для проектирования сосуда высокого давления максимальное напряжение (или максимальное эквивалентное напряжение) должно быть меньше предела текучести материала или допустимого напряжения материала [σ] (при учете коэффициента запаса прочности).
Напряжение элемента контейнера может возникать в области, удаленной от зоны структурного разрыва, включая зону соединения, зону сопла, зону опоры или другую зону локального воздействия нагрузки, удаленную от цилиндра и головки.
Если напряжение превысит предел текучести материала или допустимое напряжение материала [σ], это приведет к чрезмерной деформации компонента, что приведет к утечке в герметичном соединении или даже к чрезмерной деформации сварного соединения или нарушению целостности несварного соединения вплоть до его взрыва.
Контейнер считается вышедшим из строя, если произошла утечка или разрыв.
II. Пластиковый отказ
Критерий пластического разрушения предполагает, что когда напряжение на поверхности стенки достигает предела текучести материала:
Для элемента с равномерным распределением напряжений по сечению под текучестью одной точки понимается одновременная текучесть всего нагруженного сечения элемента.
Но для элемента, подверженного изгибающему напряжению, текучесть поверхности стенки далека от проявления несущего потенциала всего сечения материала. И он может продолжать нести нагрузку. Вместе с увеличением приложенного изгибающего момента слой текучести элемента простирается от поверхности до нейтральной плоскости. Разрушение происходит только тогда, когда слой текучести простирается до нейтральной плоскости, т.е. все сечение течет.
С этой точки зрения, только когда максимальное напряжение пластины, подвергающейся изгибающему моменту (поскольку поверхность уже поддалась, упругая формула больше не применима, поэтому напряжение, вычисленное по упругой формуле, называется виртуальным напряжением), вычисленное по упругой формуле, равно 1,5σ, все сечение поддастся. После введения коэффициента запаса прочности ns=1,5 условие проверки прочности может достичь 1,5[σ].
Расчетный критерий ограничения максимального напряжения, рассчитанного по упругой формуле, до 1,5[σ] выводится на основе критерия пластического разрушения.
III. Упругопластическое разрушение
Упругопластическое разрушение происходит при повторяющихся нагрузках.
Критерий упругопластического разрушения учитывает:
Что касается вторичного напряжения, то, поскольку оно имеет самоограничение, например, когда напряжение цилиндра намного ниже предела текучести материала, общее напряжение значительно увеличивается из-за наличия краевого напряжения в общей структурной прерывистой области, где цилиндр соединен с головкой или соплом, и пластическая деформация может возникнуть, когда она достигнет предела текучести материала.
Но прилегающая область этой области высокого напряжения все еще эластична. Пластическая деформация при повторной нагрузке не обязательно приводит к разрушению сосуда.
Если инкрементная деформация не происходит, это называется «устойчивость». Структура устойчива. Реакция структуры после этого упругая или упругопластическая.
Максимальное пороговое значение виртуального напряжения для оценки устойчивости конструкции составляет 2σ, т. е. 3[σ]. Судно считается вышедшим из строя только в случае потери устойчивости.
Поскольку этот критерий разрушения допускает локальную пластическую деформацию, а также из-за неоднородности распределения напряжений локальная пластическая зона окружена большой упругой зоной, его называют упругопластическим критерием разрушения.
Если диапазон интенсивности вторичных напряжений ограничен значением ниже 3[σ], то он выводится в соответствии с критерием упругопластического разрушения.
Этот критерий отказа впервые применяется к критериям проектирования анализа напряжений.
IV. Пластическая неустойчивость – прогрессирующее разрушение
Этот вид отказа на самом деле вызван упругопластическим разрушением.
Например, в краевой области, где соединяются формованная головка и цилиндр, в определенном диапазоне головки и цилиндра возникает дополнительное краевое напряжение из-за общей структурной неоднородности.
Если общее напряжение превышает 2σs, то при нагрузке и разгрузке возникнет пластическая неустойчивость — прогрессирующее разрушение, то есть пластическая деформация возникнет на соединительном крае, а меридиан головки или цилиндра будет явно искривлен.
Режим разрушения упругопластического разрушения и неустойчивого разрушения включен в конструкцию формующей головки в JB4732 «Стандарт проектирования стальных сосудов под давлением — анализ» и ASME VIII-2.
V. Отказ от взрывных работ
Из-за существования явления деформационного упрочнения в материале, как большом, так и малом, даже если стенка контейнера достигнет полной текучести, она все равно не взорвется. Критерий разрушения при взрыве разработан с взрывом стенки в качестве предельного условия.
Фактически критерий разрушения при взрыве используется только для проектирования толстостенных сосудов, таких как сосуды высокого и сверхвысокого давления.
Потому что для толстостенных сосудов неравномерное распределение напряжений по толщине стенки более очевидно, и его нельзя учесть путем равномерного распределения напряжений по толщине стенки, как в тонкостенных сосудах.
Чем толще стенка, тем неравномернее распределение напряжений по толщине стенки, так что когда внутренняя стенка течет, внешняя стенка далека от текучести и находится в упругом состоянии.
Когда давление очень высокое, чтобы выдержать давление, увеличьте толщину стенки, не избежав текучести внутренней стенки. После текучести стенки ее нельзя рассчитать по упругой формуле. Поэтому ее можно проектировать только по критериям пластического разрушения или разрушения при взрыве.
То есть, рассчитайте полное давление текучести или давление взрыва цилиндра (или сферической оболочки) по формуле напряжения для толстой стенки и условиям текучести, затем введите соответствующий коэффициент безопасности, чтобы определить расчетное давление цилиндра (или сферической оболочки).
При нормальной эксплуатации судна не допускается провисание стенок. Поэтому введенный коэффициент безопасности призван гарантировать, что максимальное напряжение внутренней стенки все еще находится в упругом состоянии.
VI. Усталостное разрушение
Хотя сосуд под давлением или все виды химического оборудования в течение всего жизненного цикла не будут достигать очень большого числа чередующихся циклов, из-за различных причин, таких как область открытия сопла, провар сварного шва, неправильная кромка, подрез и т. д., локальная концентрация напряжений значительно увеличивается. Таким образом, даже если число чередующихся циклов составляет всего (103~105) раз, это также вызовет низкоцикловое высоконапряженное (деформационное) усталостное разрушение.
Критерии усталостного разрушения ограничивают максимальную амплитуду переменного напряжения (или необходимое количество циклов нагрузки), которое может возникнуть на судне, до допустимой амплитуды напряжения (или необходимого количества циклов), полученной из расчетной кривой усталости.
Стандарт на сосуды (например, GB150 -1998 «Стальные сосуды под давлением»), разработанный в соответствии с правилами, не подходит для сосудов, требующих анализа усталости.
Если требуется анализ усталости из-за большого количества циклов знакопеременной нагрузки в течение всего срока службы, проектирование должно выполняться в соответствии со стандартом анализа напряжений для сосудов (например, JB4732 «Стандарт аналитического проектирования стальных сосудов под давлением», ASME V VIII-2).
VII. Отказ при переломе
Различные критерии разрушения, упомянутые выше, основаны на расчетах традиционной механики, то есть, в материале нет дефектов, рассчитанных с помощью механики материалов, теории пластин и оболочек или метода упругой механики, когда максимальное напряжение компонента достигает предела текучести материала, наступает текучесть, а разрушение происходит по достижении предела прочности материала.
Большое количество испытаний сосудов на взрыв показывает, что для сосудов, изготовленных из стали средней и низкой прочности, даже при наличии незначительных необнаруженных дефектов результаты, полученные традиционным методом расчета прочности, в основном соответствуют действительности.
Однако при использовании сталей средней и высокой прочности, а также при увеличении толщины стенок сосудов возможно возникновение хрупкого разрушения и разрушения при низких напряжениях, когда рабочее напряжение ниже предела текучести материала или даже ниже допустимого напряжения материала при эксплуатации или испытании под давлением из-за снижения вязкости и возможных дефектов пропуска.
Это явление неоднократно встречалось в практических судах, что показывает, что традиционный метод расчета прочности иногда может быть неприменим. Поэтому в качестве критерия оценки разрушения предлагается метод расчета механики разрушения.
Согласно критерию разрушения при разрушении, основной момент проектирования сосудов высокого давления заключается в ограничении параметров разрушения стенки сосуда, включая размер трещины и уровень напряжения, в пределах соответствующего индекса вязкости разрушения материала. ASME V VIII-3 Другое правило для строительства сосудов высокого давления применило этот метод проектирования к проектированию определенных компонентов высокого давления.
VIII. Разрушение из-за ползучести и релаксации напряжений
Под длительным воздействием высокой температуры и внутреннего давления сосуды высокого давления медленно и кумулятивно подвергаются пластической деформации, что приводит к постоянному истончению стенки сосуда и, в конечном итоге, к разрыву.
При длительном воздействии определенной температуры и напряжения пластическая деформация с течением времени непрерывно накапливается, а несущая способность непрерывно снижается, что в конечном итоге приводит к явлению разрушения, называемому разрушением при ползучести.
Компонент (например, крепежный болт в уплотнительном соединителе) в напряженном состоянии его общая деформация остается неизменной, при длительном воздействии высокой температуры упругая деформация постоянно преобразуется в пластическую деформацию, так что упругое напряжение в крепеже уменьшается и приводит к явлению разрушения уплотнения, известному как разрушение вследствие релаксации напряжений.
Релаксация напряжений и ползучесть являются различными проявлениями одной и той же проблемы, оба из которых представляют собой процесс преобразования упругой деформации в пластическую деформацию с течением времени при длительном воздействии высокой температуры, а несущая способность нагруженных компонентов непрерывно снижается с течением времени.
Согласно критерию разрушения при ползучести, значение ползучести (или эквивалентное напряжение, рассчитанное по уравнению ползучести) стенки ограничено допустимым диапазоном. Обычный метод проектирования выбирает только подходящую высокотемпературную сталь при определенной высокой температуре или ограничивает рабочую температуру обычной стали, то есть он не принимает очевидную конструкцию, как вышеуказанные режимы разрушения, а принимает неявную конструкцию, которая не рассчитывается, а только ограничивает определенные условия.
IX. Коррозионное разрушение
Коррозионное разрушение сосудов под давлением включает разрушение стенки, контактирующей со средой сосуда, коррозией коррозионных сред, а также межкристаллитную коррозию или коррозию под напряжением, вызванную структурными характеристиками материала. Это может быть равномерная коррозия или локальная коррозия. Предотвращение коррозионного разрушения обычно осуществляется путем выбора соответствующих материалов или различных видов термической обработки материалов или защитных мер, включая анодную защиту или различные защитные покрытия от коррозии, как правило, не ограничиваясь расчетами прочности, то есть путем ограничения определенных условий или принятия определенных защитных мер неявными методами проектирования.
Нарушение жесткости
Отказ жесткости относится к потере нормальной функции работы сжатого компонента из-за чрезмерной деформации, а утечка герметичного соединения, вызванная чрезмерной деформацией, также может быть названа отказом жесткости. Однако отказ жесткости обычно относится к нестабильности компонентов под действием сжимающего напряжения.
Нестабильность может возникнуть, когда сжимающее напряжение ниже пропорционального предела материала или когда оно превышает пропорциональный предел и ниже предела текучести (достижение предела текучести означает, что произошел отказ прочности на сжатие). Первое — это линейная упругая неустойчивость, а второе — нелинейная упругая неустойчивость. Поскольку модуль упругости E материала постоянен в линейно-упругом диапазоне, он непостоянен в нелинейно-упругом диапазоне и изменяется в зависимости от значения его деформации. Поэтому методы проектирования диапазонов упругой и неупругой потери устойчивости различны.
Все виды стандартов сосудов высокого давления в основном используют один и тот же метод для учета потери жесткости (неустойчивости), то есть линейную упругую неустойчивость можно рассчитать, а нелинейную упругую неустойчивость можно рассчитать графическим методом.
