《武汉工程大学学报》 2010年11期
98-100
出版日期：2010-11-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
超高压容器用钢AISI4340的包辛格系数
0引言为提高单层超高压容器疲劳强度,降低其在操作时的应力水平,对单层超高压容器进行自增强处理,获得有用的预应力是有效的方法;由于超高压容器常用材料的压缩和拉伸屈服应力不一致,对自增强预应力的影响很大,文献［1］认为可用包辛格系数考虑这种影响,文献［2］认为,如无试验数据取包辛格系数为0.86.文中提出按单层超高压自增强容器［3］塑性层预应力实测值确定钢材包辛格系数的方法,基于试验数据,对超高压容器常用钢材AISI4340的包辛格系数3进行探讨.1理论分析假定超高压自增强圆筒塑性层服从用包辛格系数修正的Mises屈服准则,即σt-σr=23mσs(1)
式(1)中,σt、σr分别为塑性层的周向与径向应力,MPa;m为包辛格系数,m=σsy/σs;σsy、σs分别为材料的压缩和拉伸屈服应力,MPa.单层超高压自增强圆筒塑性层的周向和径向预应力的计算值分别为［1］:σt=23mσslnrri+1-paK2-1K2+r20r2(2)σr=23mσslnrri-paK2-1K2-r20r2(3)
式中,ri、r0分别为圆筒的内、外半径,mm;r为塑性层任一点半径,mm;K为径比,K=r0/ri;pa为实际自增强压力,MPa.当测得超高压自增强圆筒的塑性层周向预应力σt1或径向预应力σr1时,由式(2)、(3)可得包辛格系数的计算式m=σt1+paK2-1K2+r20r223σslnrri+1(4)m=σr1+paK2-1K2-r20r223σslnrri(5)自增强圆筒的疲劳强度是由剪应力强度决定的,对于单层超高压圆筒,从其在操作时有最小剪应力强度的角度出发,不难得到其在最佳自增强时的弹塑性交界面半径［1,45］:ropt=ri×exp3E(pi-pt)2mEiσs=
ri×exp3(pi-pt)2mσts(6)
式(6)中,ropt为在最佳自增强时的弹塑性半径的计算值,mm;pi为操作内压,MPa;E,Et分别为AISI4340钢在常温与操作温度下的弹性模量,MPa;σst为AISI4340钢在操作温度下的拉伸屈服应力,MPa,σst=σsEt/E;pt为当量热压力,MPa,pt按式(7)计算:pt=Etαt(ti-to)2(1-μ)(7)
式(7)中,ti、to分别为在操作时圆筒的内、外壁温度,℃;αt为操作温度时圆筒材料的线膨胀系数,1/℃;μ为圆筒材料的泊桑系数,μ=0.30.2AISI4340钢的包辛格系数 文献［6］用AISI4340钢制超高压圆筒进行自增强试验,探索恢复超高压聚乙烯反应器自增强预应力的方法;试验条件:AISI4340钢拉伸屈服应力σs=944.4 MPa;圆筒内直径Φ34.7,外直径Φ79.8,径比K=2.30;圆筒塑性层周向和径向预应力的实测值σt1和σr1如表1与表2所示.表1σt1的实测值
Table 1Tests value of σt1
序号pa/MPar/mm17.3519.0021.0023.001662.0-572.5-324.5-107.569.82667.5-587.0-346.2-124.474.03680.0-623.7-372.2-153.243.34700.0-664.2-451.5-236.6-1.0表2σr1的实测值
Table 2Tests value of σr1
序号pa/MPar/mm19.0021.0023.001662.0-40.2-59.0-56.12667.5-41.0-59.6-57.83680.0-43.8-66.5-65.74700.0-47.9-73.3-75.7把表1中的有关数据代入式(4)中可得按塑性层周向预应力实测值确定的包辛格系数,如表3所示.把表2中的有关数据代入式(5)中可得按塑性层径向预应力实测值确定的包辛格系数,如表4所示.表3按σt1确定AISI4340的包辛格系数
Table 3Bauschinger coefficient of AISI4340 steel according to σt1
序号r/mm17.3519.0021.0023.00m110.972 10.985 50.974 70.966 10.974 620.971 30.977 70.970 50.976 70.974 130.965 90.979 60.968 30.972 00.971 5 40.974 00.951 00.936 00.968 0 0.957 3m的平均值0.970 80.973 50.962 40.970 7 注：m1是在同一试验条件下，不同塑料性层位置计算所得包辛格系数平均值;m2是在不同试验条件下，同一塑性层位置计算所得包辛系数平均值.由表3和表4可知:(1)包辛格系数基本上不受自增强压力大小的影响;(2)包辛格系数的大小与塑性层的位置无关;(3)用σt1与σr1确定包辛格系数无显著差异;(4)由表3、表4得AISI4340钢包辛格系数的平均值为0.967 1.
第11期刘兵,等:超高压容器用钢AISI4340的包辛格系数
武汉工程大学学报第32卷
表4按σr1确定AISI4340的包辛格系数
Table 4Bauschinger coefficient of AISI4340 steel according to σr1
序号r/mm19.0021.0023.00m110.964 90.961 70.962 30.963 020.968 30.969 20.966 20.967 930.965 00.959 60.962 20.962 640.965 90.964 50.964 20.964 9m的平均值0.966 30.963 80.963 4注：m1是在同一试验条件下，不同塑性层位置计算所得包辛格系数平均值;m2是在不同试验条件下，同一塑性层位置计算所得包辛格系数平均值.3工程实例验证超高压聚乙烯反应器是典型的单层超高压容器,也是生产低密度聚乙烯的关键设备,由于其操作条件苛刻,常常对其进行自增强处理.我国某石化企业从国外引进的超高压聚乙烯反应器条件如下［4］:第一反应器规格为Φ62×27×8 000(外直径×内直径×长度,mm),原设计者采用自增强弹塑性交界面半径18.05 mm;第二反应器规格为Φ78×34×8 000,原设计者采用自增强弹塑性交界面半径22.72 mm.反应器设计温度120 ℃,正常操作时的内、外壁温差为15 ℃,设计压力294.4 MPa,材质AISI4340,σts=794.6 MPa,Et=1.84×105 MPa,αt=16.93×10-6/℃.当量热压力由式(7)计算:
pt=1.84×105×16.93×10-6×152(1-0.3)=33.4 MPa当采用文中包辛格系数0.967 1及式(6)计算最佳自增强时的弹塑性交界面半径时,由于pi-pt=261.0 MPa,对于第一反应器有ropt1=13.5×exp3×261.02×0.967 1×794.6
=18.12 mm相对误差:(18.12-18.05)/18.05×100%=0.41%.对于第二反应器有ropt2=17×exp3×261.02×0.967 1×794.6
=22.81 mm相对误差:22.81-22.7222.72×100%=0.40%因此,用上述方法计算AISI4340钢制超高压容器最佳自增强时的弹塑性交界面半径是合理的.4结语超高压容器用钢AISI4340的包辛格系数是一个常数,其大小与塑性层的位置和容器自增强压力的大小无关.AISI4340钢包辛格系数的平均值为0.967 1.工程实例验证表明,用文中方法计算AISI4340钢制超高压容器最佳自增强时的弹塑性交界面半径是合理的.