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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
下 载: 35次
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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。

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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