表面压力（通用4篇）
表面压力 篇1
0 引言
在大型锻件冶炼浇注、锻造加工等工艺流程中, 不可避免地存在表面缺陷, 如表面出现的裂纹、未熔合等平面缺陷和邻近表面的气孔、夹渣等体积缺陷。为降低表面缺陷对压力容器应力集中、疲劳寿命的不利影响, 工程常用的处理方式为:将容器含缺陷表面打磨成光滑的凹坑, 以去除小块含缺陷材料, 并采用堆焊材料进行填补。但是, 根据设计图册进行的无缺陷容器的疲劳评定, 仍无法包络表面缺陷经打磨修复后的情况, 必须对含表面缺陷容器重新进行疲劳评定。
采用无缺陷容器的疲劳评定方法, 对含表面缺陷容器进行疲劳评定, 存在工作难度大、要求完成时间紧迫的问题。一方面, 与无缺陷容器相比, 含表面缺陷容器的建模难度大、计算时间长;另一方面, 设备制造、安装等过程有严格的工期要求, 相应地形成对疲劳评定的时间要求。显然, 一般方法对含表面缺陷容器的疲劳评定不是节省时间的方法, 亟需发展适合含表面缺陷容器疲劳评定的快速高效的方法。
从材料的微观结构来看, 疲劳失效是材料损伤累积的过程[1]。Miner累积损伤理论是线性累积损伤理论, 在工程中得到了广泛的应用[2,3,4], 成为含缺陷压力容器疲劳评定的标准[5,6,7]。对含表面缺陷容器的应力、极限载荷进行了深入的研究[8,9,10]。但是, 目前含表面缺陷容器疲劳评定, 仍采用无缺陷容器的疲劳评定方法, 离工程需求有一些差距。
本文采用快速高效的方法完成了含表面缺陷压力容器的疲劳评定。该方法以核压力容器常用材料为研究对象, 给出了关键参数的取值。以压力容器的圆筒形结构为典型结构、M310机组一回路温度-压力瞬态为载荷输入, 归纳了应力幅值的计算式。
1 疲劳评定方法
基于Miner线性累积损伤理论、S-N曲线的疲劳评定方法是工程应用最广泛的疲劳评定方法。含表面缺陷容器的疲劳评定将参照这一方法, 给出含表面缺陷容器使用系数与无缺陷容器使用系数之间的数量关系。
1.1 无缺陷容器
无缺陷容器的疲劳评定方法可归纳为以下几个步骤:1) 确定应力循环, 并编号为1、2…n, 对每一类应力循环, 重复步骤2) ~4) ;2) 对第i类应力循环, 给出循环次数ni和应力幅值Si;3) 对第i类应力循环, 由应力幅值Si通过S-N曲线得到许用循环次数Ni;4) 对第i类应力循环, 计算使用系数Ui=ni/Ni;5) 对使用系数实施累加, 得到累积使用系数U=U1+U2+…+Un;6) 累积使用系数U不超过1.0。累积使用系数是衡量结构损伤累积的重要参数。
1.2 无缺陷容器
无缺陷容器的疲劳评定方法的优点是, 步骤清晰明确, 可操作性强, 便于实现计算机辅助的数值计算, 计算结果具有可比性, 在工程上得到了广泛应用。但是, 受计算时间限制, 该方法难以快速高效地完成含表面缺陷容器的疲劳评定。因此, 含表面缺陷容器的疲劳分析, 将基于无缺陷容器的疲劳分析结果, 不对含表面缺陷容器进行建模。这样既降低了建模难度, 又节省了计算时间, 是一个比较合适的方法。
含表面缺陷容器的使用系数U′与无缺陷容器的使用系数U存在如下关系:
式中:K是一个无量纲数, 与无缺陷容器的应力幅值S′、含表面缺陷容器的应力幅值S有关:
由式 (1) 得到含表面缺陷容器累积使用系数的保守估计。
指数α与具体材料相关, 以核压力容器常用的低合金钢 (抗拉强度Su小于550 MPa) [11]为例, 指数α取4。需要指出的是, 指数α为无量纲数。应力采用国际单位, 或者英制单位, 指数α不发生变化。这对工程应用是比较方便的。
2 应力幅值
上文给出了含表面缺陷容器的使用系数的计算式和指数α的取值, 下面将研究含表面缺陷容器应力幅值S′的计算。
含表面缺陷容器应力幅值与结构、载荷相关。本文以核压力容器为研究对象, 根据压力容器的结构特点, 选取圆筒形结构作为具体研究对象, 以M310机组一回路系统的温度-压力瞬态为载荷输入, 研究应力幅值的计算方法。
2.1 计算方法
经分析验证, 含表面缺陷容器由机械载荷引起的应力与无缺陷容器的应力差别很小, 可以忽略不计, 含表面缺陷容器由温度载荷引起的应力与无缺陷容器有明显差别。定义如下应力幅值差值:
在工程中, 应力强度差值ΔS取所有载荷情况的最大值。
2.2 计算输入
以含表面缺陷容器的圆筒形结构作为分析的典型结构, 如图1所示。
圆筒内半径R取375.75 mm, 母材壁厚t取100mm, 堆焊层壁厚δ取7.5 mm, 倒角半径ρ取5 mm, 角度γ取20°。根据对称性, 建立二维模型, 如图2所示。计算结果对半径大于375.75mm的圆筒形结构是保守的。
采用M310机组一回路系统的瞬态, 对含表面缺陷容器进行计算分析。典型的温度-时间曲线如图3所示。
2.3 计算结果
根据凹坑的半径和深度, 给出应力幅值差值的计算结果, 如表1所示。
3 工程应用
无缺陷容器 (材料为低合金钢) 经历两类应力循环, 累积使用系数为0.17, 如表2所示。
压力容器表面凹坑缺陷的半径为20 mm, 深度为8mm。根据表1可知, S′=S+199 MPa。含表面缺陷容器的累积使用系数为0.85, 如表3所示。
4 结语
本文采用快速高效的方法完成了含表面缺陷压力容器的疲劳评定。该方法以核压力容器常用材料为研究对象, 给出了关键参数的取值。以压力容器的圆筒形结构为典型结构、M310机组一回路温度-压力瞬态为载荷输入, 归纳了应力幅值的计算式。
上述研究为含表面缺陷压力容器疲劳评定提供技术储备, 经工程应用检验, 满足设备制造的工期要求。
摘要：采用快速高效的方法完成了含表面缺陷压力容器的疲劳评定。该方法以核压力容器常用材料为研究对象, 给出了关键参数的取值和适用范围。以压力容器的圆筒形结构为典型结构、M310机组一回路温度-压力瞬态为载荷输入, 归纳了应力幅值的计算式。上述研究为含表面缺陷压力容器疲劳评定做了技术储备, 经工程实践检验, 达到了工程应用的要求。
关键词：压力容器,表面缺陷,疲劳评定,累积使用系数
参考文献
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表面压力 篇2
随着世界经济的发展, 斜拉桥作为具有大跨度桥梁能力之一, 跨度越来越大, 但是在特殊条件下, 例如在风雨共同作用下, 作为斜拉桥主要受力部件之一———拉索会产生剧烈的振动。国内外许多学者对拉索风雨激振的机理及抑振措施研究往往是在二维拉索模型上获得试验结果[1]。而从三维空间关系出发的研究较少, 虽然可以通过对拉索缠绕螺旋线降低拉索的风雨条件下的振动, 但拉索的表面被螺旋线缠绕而发生改变, 将会对拉索的气动性能产生一定的影响。因此, 有必要从三维拉索模型的风洞测压试验出发, 对风阻系数与气动抑振措施螺旋线参数的关系进行研究[2,3]。
1试验模型、工况
试验模型及参数如下: 拉索节段模型采用轴向长64 cm、直径200 mm、壁厚5 mm的塑料管材。拉索一端固定在可以自由水平转动的 β 机构上, 另一端自由。拉索存在倾角和风向角[5], 是其在风雨作用下产生振动的必要条件, 但是在这种作用下, 倾角与风向角对拉索的振动相比, 墙角可以忽略不计[6], 在进行试验时, 固定拉索倾角在35°, 使风向角在0° ~ 90°之间变化。模型倾角 α和风向角 β 见图1。
为研究风荷载作用在拉索上的分布特性, 在 ф200 斜拉索每个断面设置31 个测压孔, 有4 个断面, 共124 个测压孔, 其弧向间距为20 mm ( 见图2) 。测压孔的每个断面距模型自由端面依次为0 cm, 15. 5 cm, 21 cm, 26. 5 cm; 拉索表面缠绕螺旋线是现有抑制风雨激振的气动的一种常用措施[7], 本试验采用圆形PE胶管粘贴在拉索表面的双螺旋缠绕。螺旋线线径分别为2 mm, 4 mm, 6 mm, 螺距为400 mm, 500 mm, 600 mm ( 见图3) ; 为研究水线对拉索的影响, 在试验中计入模拟水线, 使其水线位置在10° ~ 80°之间变化, 步长为10°, 水线断面设计成高1 mm宽12 mm的矩形截面。模型安装见图4。
由图5 可以看出, 在风向角、风速不同的条件下, 各个断面上的平均风压分布趋势基本一致。三围流对模型的影响可以通过采用距离模型节段自由端1 cm的端板而较好的消除。与其他断面的平均风压分布系数变化比较, 第一个测压断面变化剧烈, 而二、三断面变化较居中。
2 风压、动力系数定义
其中, 风压值以风压受力面受压为正, 反则为负。ρ 为空气密度; U0为风速; p - p0为测点的风压值与来流静压之差。通过Matlab和Origin软件分析对原始数据进行处理。
通过各测压点的风压系数式 ( 2) 和式 ( 3) 计算得到拉索气动力系数Cx和Cy:
其中, Fx, Fy分别为X和Y方向的气动力; Cpi为第i个测点的风压系数; R为拉索模型半径; Δфi为第i与i + 1 个测点间的交角; фi为第i个测压点的位置角 ( 见图6, 图7) 。
3 气动力系数分析
针对拉索在不同表面状态下的风压系数, 采用光面拉索, 缠绕螺旋线, 同时有水线、缠绕螺旋线的模型表面研究。
3. 1 光面拉索的静气动力系数分析
ф200 mm光面拉索的Cx和Cy示意图见图8。
在风向角变化的条件下, 模型的静气动力系数也随之产生变化, 当风向角在25° ~ 40°之间变化时, 系数的这种变化就变得更为强烈, 所以风向角的确定对拉索模型表面的风压系数以及气动力系数有较大的影响。
3. 2 拉索缠绕螺旋线的气动力系数分析
研究螺旋线气动措施的主要目的是确定拉索风阻系数小的螺旋线参数[8], 图9, 图10 是ф200 拉索对气动系数在采用不同螺旋线参数下的影响。其中K1, K2表示螺旋参数。
从图9, 图10 可以看出, 当K1值在0. 625 和0. 781 范围内时Cx与Cy相当, 当K1值在0. 938 时Cy较小; K2在0. 01 和0. 02 范围内时Cx和Cy比较接近, 但K2值为0. 02 时, 模型Cx和Cy影响较小[9]。
3. 3 同时有水线、缠绕螺旋线的拉索静气动力系数分析
拉索表面水线的振动会使其气动力也产生变化[2]。在试验中采用K1值为0. 938, K2值为0. 03 时的参数进行计算 ( 见图11) 。
4 结语
通过试验对斜拉桥拉索模型的表面受缠绕螺旋线、水线以及风向角等参数计入的研究, 从而得出其风压以及气动力系数变化规律。风向角的选择, 水线的位置的确定, 缠绕螺旋线参数, 同时有水线、缠绕螺旋线参数的模型气动参数分析发现, 在其余参数相同的前提下, 从抗风角度出发, 螺旋线参数的取值应选择K1较大的值, 而K2的选取范围在0. 02 左右较为合适。
参考文献
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表面压力 篇3
不锈钢压力容器的制造之所以存在一定难度, 是因为其对各项性能指标要求较高, 具体表现在高强度、良好的耐磨性、优质的腐蚀性和不易生锈4个方面。不锈钢相对于其他材料来说较为特殊, 其主体呈金相组织结构, 表面为钝化膜。正是由于这一特殊的构造, 使其在一般情况下难以与介质发生化学反应而被腐蚀, 但这并不意味着其在任何条件下都不能被腐化。在一些特殊情况下 (如在一定的腐蚀介质和诱因存在的条件下) , 不锈钢可能会与腐蚀介质发生一定的化学反应而被腐蚀, 但这种反应往往速度缓慢。当然, 也存在一定条件下腐蚀速度相当快的现象, 比如在点蚀以及缝隙腐蚀的情况下, 腐蚀的速度就很快。
为了避免上述情况的发生, 在制造不锈钢压力容器的过程中应采取一些有效的防护措施, 以尽量避免腐蚀介质和诱因出现。由于这些腐蚀介质和诱因也会给产品的外观、质量造成负面影响, 因此, 从防护技术和表面处理技术两方面对不锈钢压力容器的制造过程进行改善是非常有必要的。
1 不锈钢压力容器制造过程中存在的主要问题
目前, 我国的不锈钢压力容器制造虽已得到一定程度的发展, 但在制造过程中仍然会遇到一系列问题, 主要表现为:
(1) 焊缝上的缺陷问题。焊缝出现问题后, 不锈钢压力容器将会被送至相关厂家进行返修。一般情况下, 厂家所采取的维修方法都是人工或机械打磨, 这难免会产生一定的打磨痕迹, 对产品外观造成一定的影响, 使其表面质量不均匀。
(2) 表面不一致的问题。对不锈钢压力容器进行酸洗钝化时, 如果酸洗膏涂抹得不均匀, 就会对产品外形造成影响, 主要表现为产品的表面颜色分布不均匀。
(3) 划痕难以去除的问题。划痕的难以去除一直都是一个比较难解决的问题, 就算对不锈钢压力容器整体进行酸洗钝化, 也不能将加工过程中产生的各种划痕全部去除。尤其是因划伤、焊接飞溅而粘附在不锈钢表面的一些杂质, 当存在一定的腐蚀介质时, 就极易发生化学腐蚀或者电化学腐蚀, 从而引起产品生锈。
(4) 打磨抛光钝化不均匀的问题。不锈钢压力容器通过手工打磨抛光之后, 还需要对其进行酸洗钝化处理。对于面积较大的工件, 其很难达到均匀一致的处理效果, 一般不能获得理想的均匀表面。
(5) 酸洗能力有限的问题。酸洗钝化膏虽然能对产品表面起到一定的清洁和光滑作用, 但也具有一定的局限性, 它较难除去等离子切割、火焰切割时产生的黑氧化皮, 故不锈钢压力容器常常存在表面处理不净的问题。
(6) 人为因素造成划伤的问题。在不锈钢压力容器的制造过程中往往会出现一些操作上的失误问题, 比如在吊装、运输和冷热加工过程中常会发生磕碰、拖拉、锤击、焊接打弧等人为因素造成的划伤。这些人为因素不仅会造成不锈钢压力容器表面严重划伤, 而且还增加了其表面处理的难度, 同时, 这也是其交付后产生锈蚀的一个重要原因。
2 制造过程中防护技术要点
不锈钢压力容器的加工制造要用到一系列的制造工艺, 要对这个过程进行防护, 就需要分别针对不同的工艺流程来制定相应的防护措施。
2.1 储存过程中的防护技术
在入场、运输、吊装、划线、切割、组装、试压以及包装等全过程中, 要严格遵守“黑白分离”原则, 即将黑色金属与不锈钢进行严格的隔离, 避免由发生接触而引起的化学反应。相关研究报告显示, 一般情况下, 如果不存在额外的污染物, 对于木材和填充金属来说, 它们的化学成分具有稳定性和可靠性。而灰尘、油污、铁锈以及任何形式的水分都会对焊接操作造成影响, 不仅如此, 它们还会在一定程度上影响焊缝的耐蚀性和力学性能。这就对物件的存放以及储存位置提出了较高要求, 物品存放的位置应便于吊运, 且不要与其他物品存放在一起, 要与其他材料存放区相对隔离。除此之外, 材料储存还应具备一定的防护措施, 用以防止灰尘、油污、铁锈等对不锈钢的污染。
2.2 运输过程中的防护技术
运输不锈钢时应尽量避免发生碰撞, 并防止因和金属或其他物质接触而发生锈蚀。因此, 运输不锈钢时应采用专门的运输托架或平台, 并采取一定的隔离措施。同时, 绝不允许有拖拉的现象, 以免造成不锈钢被磕碰、划伤。
2.3 下料过程中的防护技术
不锈钢的下料主要是通过剪切或等离子切割的方式实现的。一般情况下, 采用色漆来完成划线工作, 而严禁使用划针划线。进行剪切操作时, 应在送进支架上覆盖2～4 mm不锈钢薄板对其进行隔离, 同时落料斗内也应铺上橡胶垫, 以免划伤用料。在等离子切割操作后, 应将切割后留下的割渣清理干净, 并将相关零件撤出现场, 从而避免割渣对工件造成污染。
2.4 机械加工过程中的防护技术
在不锈钢板刨边加工坡口时, 为防止工件发生腐蚀, 需在刨边机送料支撑和压爪上包上橡胶或者软布垫层。同时, 对卡紧部位要适当采取隔离措施, 以防油污、划伤等对工件造成伤害。
3 不锈钢焊后表面处理技术
不锈钢焊后的表面处理包括多个方面, 主要有清洗打磨、机械抛光、除油除尘、锈斑处理以及酸洗钝化, 下面将对其进行一一阐述。
(1) 清理打磨。如果发现工件表面存在一定的损伤, 应及时进行打磨, 特别是对划伤和飞溅等问题要认真对待, 对其进行彻底的清理打磨。
(2) 机械抛光。首先, 要优选抛光工具, 抛光工具必须具有一定的针对性;其次, 对工件进行抛光处理时要均匀一致;最后, 还需合理把握抛光尺度, 防止过抛情况的发生。
(3) 除油除尘。对不锈钢进行酸洗钝化之前, 必须将产品表面的油污、氧化皮以及灰尘等清理干净。
(4) 锈斑处理。如果铁质物质意外接触到不锈钢表面, 并且未能及时进行处理, 就容易在不锈钢表面产生锈斑。通常对锈斑采用的处理方法是用不含铁质的纤层片将其打磨掉。
(5) 酸洗钝化。这一流程的要求较为严格, 需要按照具体的工艺和操作步骤来完成。通常采用的酸洗方法主要是对焊缝变色和热加工封头氧化变色进行化学清洗。对不锈钢进行有效的酸洗钝化, 可以大大提高不锈钢表面的耐蚀性能。
4 结语
本文主要针对不锈钢压力容器制造过程中的防护和表面处理技术进行了阐述和分析。实践证明, 采取本文所述的防护和表面处理技术, 能有效解决不锈钢压力容器制造过程中存在的主要问题。
参考文献
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表面压力 篇4
随着我国工业的发展和生产需求, 不锈钢压力容器的制造和生产已经发展到了一定的规模, 但是制造技术仍不成熟, 尚存在一些问题, 制约着不锈钢压力容器的进一步应用和发展。一是, 在我国不锈钢压力容器制造过程中, 存在焊缝缺陷, 而出现此问题时通常需要进行打磨返修, 导致容器出现痕迹、表面质量不均匀。二是, 在不锈钢压力容器进行酸洗钝化时, 由于操作不当等因素导致容器表面不一致、出现划痕等, 影响产品的外观, 且有划痕的表面易粘附一些杂质而发生化学反应, 导致腐蚀。另外, 对于一些面积较大、形状复杂的容器, 受打磨抛光不均匀、酸洗困难等影响, 容易导致容器出现表面不均匀、处理不净等问题。三是, 在不锈钢压力容器制造、运输等过程中, 由于人为操作、外界等因素而使得容器会发生磕碰、锤击、拖拉等问题, 导致其表面划伤。
2 不锈钢压力容器制造过程中的防护技术
2.1 不锈钢压力容器制造环节的防护技术
在不锈钢压力容器生产制造的过程中, 加工工艺及生产制造关节多且复杂, 所以容易出现损伤, 在成品的存放过程中也容易产生划伤和破坏, 因此在容器的生产制造及存储过程中必须采取相应的防护技术, 减小产品损坏的几率。在生产制造的各环节要根据其自身的特点采取相应的防护手段, 在入场、吊装、划线、切割、试压等过程中要严格避免黑色金属与不锈钢的接触, 避免两者发生相应的化学反应。铁锈、油污、灰尘等会对焊接操作产生不利影响, 影响焊缝的耐蚀能力, 进而影响压力容器的强度和力学性质, 因此在制造过程中应尽量避免其与不锈钢的接触。不锈钢压力容器的存放要求较高, 一方面产品要便于吊运, 另一方面要不易碰损。此外, 还要采取相应的防护措施, 以免灰尘、铁锈等对不锈钢容器造成污染。
2.2 不锈钢压力容器半成品存放及运输中的防护技术
不锈钢压力容器制造环节较多, 在各环节间半成品存放期间也特别容易导致产品的损坏, 所以必须重视容器存放及运输中的防护技术。在容器运输的过程中应尽量避免磕碰、拖拉、碰撞等, 尽可能地减少其与金属或化学性质较为活泼的物质接触, 以免造成污染、发生锈蚀。在容器运输的过程中要采用专门的托架, 托运过程中轻拿轻放, 坚决杜绝锤击、划擦等, 否则会产生严重的划伤, 导致表面的破坏和锈蚀。在不锈钢压力容器运输的过程中, 此外, 还应注意做好隔离工作, 可以通过包覆软布、垫层等手段, 或者采用专业的保护膜等, 既能减少不锈钢与活泼物质的反应, 又能防止表面划伤, 起到保护作用。不锈钢压力容器运输中造成损伤的意外因素较多, 损伤的原因也比较多, 所以必须重视运输过程中的保护工作, 采取积极的防护措施。
3 不锈钢压力容器制造过程中的表面处理技术
3.1 重视清理过程, 做好表面处理工作
表面处理工作对于不锈钢压力容器有着非常重要的作用, 直接决定着容器的质量和性能, 所以必须深化研究不锈钢压力容器生产制造过程中的表面处理技术。首先要重视清理过程, 当发现工件的表面具有一定的损伤时, 为避免损伤处进一步的污染和锈蚀, 必须进行及时的打磨, 尤其是当工件存在划伤、飞溅等问题时, 要进行彻底的清理打磨。清理过程对于工件的污染破坏起到了良好的阻止作用, 在容器制造的各环节都要做好清理工作, 比如在对不锈钢进行酸洗钝化前, 必须将表面的油污、灰尘等清理干净, 以防后期发生氧化, 产生锈蚀。
3.2 重视锈斑及加工区域的表面处理
锈斑及加工区域是不锈钢压力容器容易造成破损的地方, 因此必须重视锈斑及加工区域的表面处理工作。铁质粉尘、铁制材料等容易使得不锈钢压力容器表面产生锈斑, 如果不进行及时的处理会导致大范围的锈蚀和表面破坏, 因此必须进行及时的清理。不锈钢表面的锈斑可以采用不含铁质的纤层片打磨, 并马上将其清理干净。加工区域通常具有特殊的功能和作用要求, 因此必须采用特殊的表面处理技术进行防护, 如精细打磨、机械抛光等。
3.3 加强各工艺技术环节的表面处理工作
表面处理工作贯穿于压力容器生产制造的各个环节, 在各工艺技术阶段也必须做好表面处理工作, 只有这样才能保证工件的质量。例如在酸洗钝化的过程中, 应严格控制工件表面的冲洗, 并进行干燥处理, 彻底清除残留的酸液, 做好表面的防护, 防止油污、灰尘等对表面的污染。在机械抛光时, 为防止表面的不均匀, 要把握合理的抛光尺度以防止抛光过度, 造成表面破坏。
4 结语
不锈钢压力容器制造过程中出现的问题对产品的性能有着很大的负面影响, 不锈钢压力容器制造过程中的防护工作和表面处理工作是容器质量和性能的保障, 因此着力做好不锈钢压力容器制造过程防护和表面处理工作具有重要意义。
参考文献
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