随着工业技术和国民经济的发展,很多行业对压力容器的需求呈现极端化趋势,特别对超过100MPa的压力容器(简称“超高压容器”)需求日益增加。我国在役的超高压容器数量已达数千台,广泛应用于低密度聚(LDPE)乙烯、等静压技术、人造水晶、食品高压杀菌、射流切割等领域。如在等静压(IsostaticPressing)装置中的加压设备,超高压水晶反应釜,超高压聚乙烯反应器等。超高压容器工作条件苛刻,工况往往都是高压、高温,还会伴随着疲劳载荷作用,失效事故屡有发生,造成了很大的经济损失、甚至人员伤亡。为保障超高压容器的安全,同时考虑其在材料、设计、制造、检测等方面的特殊要求,我国于上世纪90年代初曾单独针对此类设备颁布了《超高压容器安全监察规程(试行)》。规程在总体上对超高压容器的建造提出了强制性的要求。然而在标准方面,我国目前的标准体系中还没有针对超高压容器建造的标准。工程上广泛使用的JB4732《钢制压力容器分析设计标准》规定的压力上限也仅为100MPa,而且JB 4732采用的设计理念也并不完全适用于超高压容器。目前国内超高压容器建造,大都只能参考国外标准或相关设计手册。这既制约了该领域的发展,又带来安全隐患。鉴于上述情况,本文在国家质检公益性行业科研专项“超高压容器关键技术与标准研究”(编号:201210242)的支持下,针对超高压容器的塑性垮塌、局部失效和疲劳失效三种失效模式,分别对爆破压力预测精度、高强钢本构关系、局部失效评定方法、疲劳评定方法等超高压容器设计中急需解决的关键问题,开展了一系列的研究,主要完成了以下工作:(1)开展了超高压容器爆破压力预测公式的精度和安全系数的研究。通过近百组参数化数值分析,结合文献中数百组爆破试验数据的数理统计工作,确定了精度最高的超高压容器厚壁圆筒爆破压力预测公式;并在此基础上,通过对试验数据的失效概率分析,并综合考虑各种工程因素(检验技术、质量管理、材料性能等),对超高压容器爆破安全系数的调整进行了深入研究。研究表明:目前广泛使用的Faupel公式会高估高强钢容器的爆破压力,采用流变应力公式预测超高压容器爆破压力具有更高的精度。对闭端厚壁圆筒结构超高压容器,将爆破安全系数从3调整至2.4,可在保证安全的同时实现轻量化。(2)建立了适用于国产炮钢的本构模型和断裂应变,为超高压容器设计中引入塑性分析提供技术支撑。开展了国产炮钢在各个温度下的力学性能试验,结果显示国产炮钢呈现多阶段硬化的特性;提出了基于MPC的新的本构模型,研究表明该模型可以较为精确地描述高强钢在颈缩前的应力应变响应,同时具有参数可以直接通过线性拟合获得的优点。设计并完成了带不同缺口尺寸的拉伸试验以获得不同的应力状态,结果显示国产炮钢的延性对应力状态十分敏感,只对材料伸长率和截面收缩率的要求是不够完善的,获得了国产炮钢考虑应力三轴度效应的断裂损伤模型;在此基础上,建立了防止超高压容器局部失效的应变限制准则。(3)获得了我国超高压容器的疲劳设计曲线,建立了考虑平均应力影响的超高压容器疲劳评定方法。开展了高强钢的单轴拉压应变控制疲劳试验,得到了材料的疲劳最佳拟合曲线,并综合考虑各种影响因素,确定取2/15为设计余量获得了超高压容器的疲劳设计曲线。基于临界面法,采用Findley多轴疲劳损伤模型,并考虑垂直于临界面的正应力均值计以平均应力的影响,构建了超高压容器疲劳评定方法。统计数百组超高压容器疲劳试验数据,验证了该评定方法和疲劳设计曲线的安全性和适用性。本文的部分研究成果已经被采纳到的TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》和即将颁布的国家标准《超高压容器》。