确定压力容器安全系数原则

摘要： 压力容器安全系数直接受材料参数的影响，这就要求在选用材料许用应力值时，要在考虑抗拉强度的基础上，考虑屈服强度；奥氏体不锈钢应变能力、强化能力、韧性都比较强，为了把这些特性充分的发挥出来，应该特别考虑它的许用应力值；伴随着科学技术的成熟，对一次次实验的总结，既能保证压力容器的安全，又能够在此基础上节约材料，降低成本，压力容器安全系数有降低趋势，这是理论与实际相结合的结果。

Abstract： The pressure vessel safety coefficient is directly affected by material parameters， which requires consideration of yield strength as well as tensile strength when choosing the material"s allowable stress value. Austenitic stainless steel has strong strain capacity， strengthening ability and toughness. In order to put these characteristics fully play out， its allowable stress value should BE especially considered. With the maturity of science and technology and author"s experience， it can not only ensure the safety of pressure vessels， but also could save material， and reduce costs. Pressure vessel safety coefficient has a lower trend， which is the result of integrating theory with practice.

关键词： 压力容器；安全系数；许用应力值；抗拉强度；屈服强度

Key words： pressure vessel；safety coefficient；allowable stress value；tensile strength；yield strength

中图分类号：[X933.4] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）15-0070-02

压力容器已经渗透到了工业领域，并和人们的生活息息相关，是不可被破坏的，如果遭受到了破坏，后果将不堪设想。世界各国已经制订了压力容器标准，通过法律法规等形式对压力容器进行强制制约，要求合理选择材料许用应力值，以确保公众安全。这种强制性的手法，更大强度的提高了压力容器安全性。

所谓压力安全系数的高低，只是人们主观的认为设备发生事故危害的严重程度。压力安全系数不是随便就可以制定的，是通过不断的实验，再加上理论研究才能够选取的。节约成本、降低价格是人们现在一直追求的，但必须建立在保证安全的基础上，此情景下安全系数有降低趋势。制订统一的压力容器安全准则，使得原本安全系数都不高的一些国家又大幅度降低安全系数。针对此现实情况，笔者进行了深刻的研究。

二十世纪五六十年代，美国ASME对当时的压力容器标准材料许用应力值进行了研究。最终决定在材料的蠕变温度以下，仍然考虑材料的抗拉强度；并引入同时考虑抗拉强度及屈服强度的策略。原因如下：①局部应力状况由材料的抗拉强度和材料的硬度一起控制。②在受力大的地方，压力容器容易失去作用，应考虑材料的抗拉强度。③压力容器爆破压力以及材料硬化指数与塑形变形率也有比较大的关系。④屈服点不能够确定。

在锅炉使用的早期，按材料室温下抗拉强度的设计，还比较可以满足使用要求，那是因为当时几乎只有低碳钢材料，蒸汽锅炉的温度比较低，低碳钢材料有比较不错的延性。然而，高效蒸汽需要极高的温度，而材料在高温下呈现的特点也有所不同。由于国际竞争的关系，英国在二战前，已经开始考虑屈服强度。然而在利益的驱动下，人们刻意追求高屈服强度，致使材料韧性等一些优良性能逐渐的下降。为了控制这种局面的延续，相关部门限制了屈服强度和抗拉强度的比例。欧盟EN 13445-2002压力容器标准在选取材料许用应力值时，并没有考虑抗拉强度值，只是单纯的考虑屈服强度，但是对屈服强度和抗拉强度的比值有一定的制约。美国AMSE和中国GB 150-2011和JB4732-1995确定材料许用应力值有所不同的是，用抗拉强度和屈服强度，除以相应的安全系数，然后取最小值。

奥氏体不锈钢材料拥有应变强化能力强、韧性大等非常优良的特点，但屈服强度不好。如果按碳钢方法确定材料许用应力值，会直接降低奥氏体不锈钢材料许用应力值，承载能力也不能充分发挥出来。为提高奥式不锈钢材料许用应力值，世界各国采取了不同的措施。

随着时代的变迁，人类对未知的不确定，对安全性能的要求越来越高，安全系数随之出现，虽然在一定程度上保证了使用压力容器的安全性，但也不得不说也有可能阻碍了压力容器技术进步的步伐。因为从材料学和力学方面来说，为了提高安全系数，就会直接增加压力容器厚度，压力容器受力状态也就会随之变差，也就直接影响到了焊接的质量。然而又不能为了降低安全系数，从而降低对压力容器技术方面的要求，因此，需要依靠技术进步和提高去降低安全系数。随着科技的进步，对压力容器技术的研究也日益完善，制造、加工、检验水平的提高等，大大提高了发现缺陷的能力，从而也提高了管理和监测水平。

压力容器拥有抵抗爆破的能力，但是其安全系数与选取材料时的安全系数有所不同。笔者认为，爆破压力值与按材料许用应力值算出的压力比值才是真正的实际安全系数。B.F.Langer和W.L.Hardin对奥氏体不锈钢、低合金钢、调质合金钢等不同硬化指数的材料进行了压力容器爆破试验（如图1）。如果忽略材料韧性会得到压力容器在抵抗爆破时的实际安全系数（如图2）。

总体上，世界各国的容器标准设定依靠的技术相差不多，只是在容器的一些结构方面有少许差别的，然而在选取材料许用应力值时，选择安全系数标准的差别却很大。这就使的一台压力容器按不同标准制造，压力容器的厚度也会有所不同（如图3）。

总之，应同时依据抗拉强度和屈服强度去选取材料的许用应力值；随着理论研究和不断的科学实验，在保障压力容器安全的基础上，压力容器安全系数逐步降低；奥氏体不锈钢不仅应变强化能力强、韧性大，而且高温性能强，在欧洲许多国家一直被广泛使用；压力容器在抵抗爆破时的实际安全系数，不同于选取材料许用应力时的安全系数；各国在确定材料许用应力值时，在材料参数以及安全系数方面有很大的区别。

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