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贮氢压力系统结构安全评定研究
作 者: 徐勇
导 师: 王少华
学 校: 西南交通大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 贮氢压力系统 失效评定图 未焊透缺陷 安全评定
分类号: TH49
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
贮氢压力系统是一类用于加注、贮存及快速释放氢的小型装置,其安全性是产品寿命周期内关注的重点。贮氢压力系统结构较为复杂,存在焊接,缺陷不可避免。对于产品在制造和运行过程中出现的缺陷,遵循“合于使用原则”,以断裂力学方法为基础,开展结构缺陷的检测与计算分析,评估产品的安全性,从而决定其是否还允许继续使用,是一类合理有效的工程评定方法。基于J积分理论的失效评定图技术由于理论严密,适用于多种失效模式,已经成为目前国际上“含缺陷构件安全评定标准”的主流方法,本文基于此技术开展贮氢压力系统主体承载结构安全评定工作。本文首先依据BS7910、SINTAP和GB/T 19624标准,根据贮氢压力系统结构、制造、材料及载荷特点,拟定了结构安全评定程序及项目;然后开展了系统结构缺陷检测与表征,材料性能参数获取,结构应力求解三项研究工作;最后基于Ainsworth和通用失效评定曲线构建理论、GB19624和BS7910塑性截止线规则,建立系统结构安全的失效评定图,计算不同缺陷参数评定点绘于失效评定图中,由图给出贮氢压力系统结构安全评定结论,并计算评定点安全系数和最大缺陷尺度下的极限载荷。研究结论包括:贮氢压力系统结构主缺陷为焊缝底端未焊透,基于工程可操作性和保守性要求,将其等效简化为三参量矩形截面环向缺口。系统结构用材FeCrNi奥氏体不锈钢强度、塑性及韧性良好,但充氢后材料塑性和断裂韧性有损减。电子束焊缝区与基材性能差异不显著,弯曲载荷下破坏模式仍为塑性失稳。内压及离心载荷联合作用下,系统结构最大等效应力出现在未焊透缺陷根部两侧尖端,且随缺陷深度的增加而增大,随缺陷宽度的减小而增加;未焊透缺陷深度对应力的影响大于宽度的影响,窄而深的缺陷应加强控制和消除。当未焊透缺陷深度不超过1.5mm(60%壁厚)时,结构是安全的,安全系数为1.9至4。系统结构失效模式为塑性失稳,在韧度下降及裂纹扩展情况下向弹塑性撕裂转变。系统结构强度随离心载荷增大而接近安全边界,未焊透缺陷深度1.5mmm宽0.1mm时,以屈服应力计算载荷比,离心载荷约190g时系统结构处于临界安全状态;以流变应力计算载荷比,离心载荷约270g时系统结构处于临界安全状态。贮氢压力系统结构安全评定是一项系统工作,研究涉及制造检测、材料、力学等多学科领域,拘于有限的时间和能力,本课题至此还存在诸多问题和不足,比如未考虑焊接区域的热应力、焊缝与基材强度的高低匹配性、非均布应力状态下应力强度因子的有限元精确解、计算模型中的数据分散性等问题,这都有待后续研究。
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全文目录
摘要 6-7 Abstract 7-12 第1章 绪论 12-22 1.1 研究背景与意义 12-13 1.1.1 研究背景 12 1.1.2 研究意义 12-13 1.2 结构安全评定理论与方法 13-21 1.2.1 断裂力学理论 13 1.2.2 "质量控制标准"和"合于使用原则" 13-14 1.2.3 结构安全评定方法 14-19 1.2.4 压力系统结构安全评定规范 19-21 1.3 本文研究内容及方法 21-22 第2章 贮氢压力系统结构安全评定程序及内容 22-28 2.1 贮氢压力系统特征简析 22-23 2.1.1 结构及制造 22-23 2.1.2 材料及可能缺陷 23 2.1.3 载荷情况 23 2.1.4 氢致材料性能损伤 23 2.2 评定程序及内容 23-27 2.2.1 制定依据(BS7910及GB/T19624) 23-26 2.2.2 评定级别选择 26-27 2.2.3 贮氢压力系统结构安全评定程序及项目 27 2.3 本章小结 27-28 第3章 贮氢压力系统缺陷检测与表征 28-32 3.1 贮氢压力系统基材检测 28-29 3.1.1 检测方法及要求 28 3.1.2 检测结果 28-29 3.2 贮氢压力系统焊缝区检测 29-30 3.2.1 检测方法及要求 29 3.2.2 检测结果 29-30 3.3 主缺陷表征 30-31 3.3.1 主缺陷及成因 30 3.3.2 未焊透缺陷的表征 30-31 3.4 本章小结 31-32 第4章 FeCrNi奥氏体不锈钢材料性能及氢损伤 32-39 4.1 奥氏体钢的氢损伤 32-33 4.1.1 氢损伤类型 32 4.1.2 氢致材料性能变化 32-33 4.2 材料性能试验及结果 33-37 4.2.1 未充氢静拉伸试验及结果 33-35 4.2.2 充氢后静拉伸试验及结果 35-36 4.2.3 焊缝区材料性能试验 36-37 4.3 研究资料数据 37-38 4.4 本章小结 38-39 第5章 结构应力解析与有限元法求解 39-54 5.1 贮氢压力系统结构模型简化 39-40 5.1.1 简化意义与方法 39 5.1.2 贮氢压力系统结构简化模型 39-40 5.2 不同载荷下结构应力简析 40-44 5.2.1 贮压载荷下 40-42 5.2.2 离心载荷下 42-44 5.3 有限元计算及结果分析 44-52 5.3.1 有限元模型与相关参数 44-46 5.3.2 计算结果及分析 46-52 5.4 本章小结 52-54 第6章 贮氢压力系统结构安全评定 54-73 6.1 失效评定图(FAD)的建立 54-60 6.1.1 构建理论 54-56 6.1.2 FeCrNi奥氏体不锈钢失效评定图 56-60 6.2 评定参数计算 60-67 6.2.1 断裂比K_r 60-66 6.2.2 载荷比L_r 66-67 6.3 结构安全性评定及分析 67-72 6.3.1 结构安全评定结论 67-68 6.3.2 结构安全系数(储备系数) 68-70 6.3.3 极限载荷分析 70-72 6.4 本章小结 72-73 结论与展望 73-75 致谢 75-76 参考文献 76-79 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果 79
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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 气体压缩与输送机械 > 压力容器
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