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基于损伤模式的压力容器设计原理
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压力容器是能源与动力行业的核心设备之一，广泛用于石油化工、电力、航空航天等国民支柱产业。随着新一代核电、超超临界火电等行业设备的高温高压、大型化、长寿命等极端化趋势，以蠕变、疲劳、棘轮与屈曲等为代表的复杂损伤机理和复杂失效模式成为压力容器强度设计领域的新挑战。
图 压力容器技术发展的里程碑
压力容器是随着第一次工业革命和瓦特蒸汽机的诞生，尤其是随后的“三酸两碱”、石油化工及核电工业等的发展而获得广泛应用的重要装备，常常涉及高压、腐蚀、剧毒、放射性等危险介质，一旦发生泄漏、爆炸等破坏性事故，往往危及人们的生命财产安全，导致巨大的经济损失，甚至影响社会生活的安定。因此，其强度设计理论和寿命可靠性分析一直是领域前沿和关键课题。
作为压力容器技术的核心基础，其强度设计理论是一个失效驱动的学科方向。19 世纪早期，压力容器的设计仅仅是一个类比成功经验选取壁厚的过程。然而频繁的爆炸事故和大量人员伤亡，促使美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers，ASME)率先于 1915 年颁布了世界上第一部压力容器设计标准《锅炉建造规范》(ASME Ⅰ卷)，首次提出基于弹性强度理论的设计理念，建立了面向静态最大强度破坏模式的按规则设计方法(design by rule)。
20 世纪40～50 年代，塑性力学、板壳理论等基础学科的出现，以及英国“彗星”号喷气机等多起低周疲劳引发的灾难事故，使人们认识到薄膜应力、边缘应力等不同类型的应力在导致失效后果方面存在显著差异，进而提出了以应力分类为基础的分析设计方法(design by analysis)。随着计算机、有限元技术及核能工业的诞生，促成了以美国 ASME Ⅲ卷、Ⅷ-2 卷等为代表的现代分析设计技术的建立，标志着面向弹塑性和疲劳等多损伤模式分析设计路线的形成。
20 世纪 70 年代的能源危机和资源、环境问题凸显，压力容器相关的工艺过程日益呈现出高温高压、重载、复杂环境、复杂介质和长寿命服役等极端化趋势，由此导致蠕变、疲劳、棘轮、屈曲、蠕变-疲劳耦合、辐照损伤等诸多损伤模式成为压力容器强度分析和寿命保障面临的新挑战。渐进性变形、低应力破坏及几何非线性、时间相关本构等新的现象构成了现代结构强度理论的特征，传统弹塑性强度理论和设计理念已难以支持新工艺、新装备的需求。
面向上述新的损伤模式和失效问题，人们开展了长期卓有成效的基础和应用技术研究。例如，1963 年 Brister 和 Leyda 提出的时间相关许用应力概念成为压力容器蠕变设计的基础；1967 年，Bree 博士建立了基于安定极限理论的 Bree 图，被美国 ASME 标准、法国 RCC-MRx 规范等采纳为安定性分析的基本技术；1968 年，Sim 博士提出了基于极限分析的参考应力，已成为欧盟标准 EN 13445、ASME 标准直接分析法的基础；1972年，Blackburn 以蠕变理论为基础提出了等时应力-应变曲线的概念，成为 ASME Ⅲ-NH 等标准中关于松弛、棘轮强度分析的核心方法；1987 年，Boyle 等完善了弹性跟随效应和因子，成为高温结构不连续部位强度分析的重要基础。
此外，蠕变-疲劳耦合损伤分析是本领域的另一热点。在本构理论方面，学者们相继提出了分离型黏塑性本构、Chaboche 黏塑性本构、Ohno-Wang 黏塑性本构、损伤耦合统一黏塑性本构等，以期更加精准地获得结构的力学响应，但由于参数多、计算复杂，目前仍难以满足工程推广应用的需求。在寿命预测理论方面，学者们相继发展了时间分数模型、频率修正模型、应变范围划分模型、韧性耗竭模型等，但在实际应用方面仍存在较多局限，以 Palmgren-Miner 为代表的线性累积律仍被 ASME Ⅲ-NH、RCC-MRx 等标准广为采用。在时间相关断裂理论方面，近年来相继发展了蠕变断裂参量、蠕变拘束模型、多裂纹蠕变干涉及多组元断裂等新的理论模型。此外，时间相关失效评定图、蠕变-疲劳双判据图等技术也相继完善，为解决蠕变-疲劳等复杂条件下的寿命分析与安全评价提供了新的工具。
《基于损伤模式的压力容器设计原理》系统介绍了基于损伤模式的压力容器设计原理与方法，系作者与 10 余位学生 20 余年来在高温强度领域研究成果的凝结，同时融入了本领域国内外科学家的大量成果和最新进展。在撰写过程中，以高温压力容器的损伤模式和设计方法为主线，整体布局依照强度设计中考核不同失效判据的递进逻辑关系；在内容和叙述方式上，依照每一损伤模式的演化机理、理论模型、应用方法和技术原理的顺序展开，同时提供了针对相应损伤模式和依据规范技术的工程案例解析，体现了从原理、方法到应用的顺序。
在内容安排上，本书围绕压力容器承受的主要载荷及其与温度、辐照等因素耦合的影响，重点研究蠕变、疲劳、安定与棘轮、蠕变-疲劳耦合、屈曲与蠕变屈曲、松弛、裂纹扩展、辐照损伤 8 种损伤与破坏模式，共分为 9 章。在系统梳理压力容器技术发展概况、强度理论基本概念和设计方法演化脉络的基础上，分别阐述上述 8 种损伤演化机理、强度理论和数学模型的最新进展，以及强度设计的判据和原理，对比分析世界主流设计规范 ASME Ⅲ-NH、RCC-MRx 和 R5 等的技术方法和特点。其中，第 2 章和第 3 章的蠕变、疲劳是其他 6 种损伤模式分析的前提和基础，安定与棘轮、松弛与蠕变屈曲、辐照损伤等均是在此基础上的延伸、耦合与深化。
需要指出，本书采用了损伤模式作为内容组织的逻辑主线，而不是工程中经常使用的失效模式。这是因为，失效通常指机器或零部件丧失了预期的功能，失效状态代表了安全与否的临界判据；损伤则指预期功能或性能降低，描述了产品的过程状态，目标主体并未失去预期的功能和能力，损伤参量则通常作为失效发展动力学的数学度量。“模式”指代主体行为的一般方式和客观理性形式。尽管损伤模式和失效模式在一定意义上具有相通性和可替代性，但损伤模式更反映了设备或零部件强度破坏的驱动力和物理过程的一般特征，与本书侧重于设计理论的初衷更加贴切。
本书可供从事机械结构强度学和压力容器设计领域研究的科研人员、研究生和设计工程师参考。本书的主要研究成果已在相关国内外期刊发表，部分成果获得了软件注册和专利。研究方法具有一定的通用性，可以推广用于其他机械结构和零部件的强度分析与寿命设计。尤其对航空航天、新一代核电装备的强度设计与完整性评估，具有一定的参考价值和指导意义。
本文摘编自《基于损伤模式的压力容器设计原理》 （轩福贞，宫建国著. —北京：科学出版社，2020.8）一书。
《基于损伤模式的压力容器设计原理》
ISBN 978-7-03-065637-7
责任编辑：耿建业 冯晓利
《基于损伤模式的压力容器设计原理》是一本关于压力容器强度设计领域的专著。全书以蠕变、疲劳、棘轮等8种高温压力容器主要的损伤模式为主线，针对每一种损伤模式均系统介绍了其演化机理、理论模型和设计分析方法，并依托典型案例的解析，系统梳理世界主要标准中相关分析路线的特点及应用示范。全书共分9章，第1章为绪论，提出了本书的研究背景、基本概念，梳理了压力容器强度研究和设计方法发展的历史脉络；第2章和第3章分别介绍蠕变和疲劳理论及强度设计方法；第4～7章为递进关系，分别讨论了安定与棘轮、屈曲以及蠕变-疲劳耦合下的损伤理论和设计方法；第8章讨论裂纹扩展模式下的强度分析与寿命预测；第9章系统介绍核压力容器特有的辐照损伤模式，系统介绍其演化原理、理论模型和工程设计方法，以及国际主要标准的技术路线对比分析。 向上滑动阅览 目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 压力容器及发展历史 1
1.2 压力容器的失效、损伤模式与设计原理 7
1.3 压力容器强度设计的基本概念 11
1.3.1 时间相关的许用应力 11
1.3.2 应力分类 12
1.3.3 参考应力 13
1.3.4 等时应力-应变曲线 15
1.3.5 循环应力-应变曲线 17
1.3.6 弹性跟随效应 18
1.4 压力容器主流设计规范简介 22
1.4.1 美国ASME标准 24
1.4.2 法国RCC-MRx规范 28
1.4.3 英国R5规程 30
1.5 本书的基本内容及逻辑框架 32
参考文献 33
本章主要符号说明 35
第2章 压力容器的蠕变损伤及强度设计 36
2.1 蠕变现象及基本概念 36
2.1.1 蠕变现象与基本特征 36
2.1.2 蠕变设计相关的几个基本概念 38
2.2 蠕变变形机理及本构模型 40
2.2.1 蠕变变形的物理机制 40
2.2.2 蠕变变形的本构方程 44
2.3 蠕变破裂机理及寿命预测 46
2.3.1 蠕变破裂的物理机制 47
2.3.2 蠕变破坏参数的预测及外推 48
2.4 压力容器的蠕变强度设计判据 56
2.4.1 载荷控制的破坏 56
2.4.2 变形控制的破坏 57
2.5 基于弹性技术路线的压力容器蠕变强度设计 58
2.5.1 基于ASME标准的蠕变强度设计 58
2.5.2 基于RCC-MRx规范的蠕变强度设计 65
2.6 压力容器蠕变设计的近似方法 66
2.6.1 基于稳态蠕变状态的弹性近似分析 66
2.6.2 基于参考应力的蠕变强度分析 67
2.7 基于损伤理论的压力容器蠕变设计 69
2.8 压力容器蠕变设计案例 70
2.8.1 基于ASME Ⅲ-5 HBB标准的蠕变强度考核 71
2.8.2 基于RCC-MRx规范的弹性分析方法 72
2.8.3 基于RCC-MRx规范的极限分析方法 73
参考文献 74
本章主要符号说明 78
第3章 压力容器的疲劳损伤与强度设计 81
3.1 疲劳现象及基本概念 81
3.1.1 疲劳现象 81
3.1.2 疲劳强度相关的基本概念 82
3.2 疲劳损伤的物理机制 90
3.3 疲劳损伤与寿命预测模型 92
3.3.1 单轴应力下的寿命预测模型 92
3.3.2 多轴应力下的寿命预测修正 94
3.4 压力容器疲劳设计的原理与判据 96
3.4.1 蠕变效应可忽略 97
3.4.2 蠕变效应不可忽略 97
3.5 压力容器疲劳设计的基本方法 98
3.5.1 弹性分析方法 98
3.5.2 弹塑性分析方法 98
3.6 压力容器疲劳强度与寿命分析的弹性路线 101
3.6.1 基于ASME Ⅲ-NB标准的弹性分析路线 101
3.6.2 基于ASME Ⅷ-2标准的弹性分析路线 103
3.6.3 基于ASME Ⅲ-5 HBB/RCC-MRx/R5的弹性分析路线 105
3.7 压力容器疲劳强度与寿命分析的弹塑性路线 105
3.7.1 基于ASME Ⅷ-2标准的弹塑性分析路线 105
3.7.2 基于ASME Ⅲ-5 HBB/RCC-MRx/R5的弹塑性分析路线 106
3.8 压力容器疲劳强度与寿命分析的损伤分析路线 106
3.9 压力容器疲劳设计案例 107
参考文献 109
本章主要符号说明 111
第4章 压力容器的安定与棘轮失效及设计方法 114
4.1 结构安定与棘轮现象及基本概念 114
4.2压力容器安定/棘轮基本理论及研究进展 115
4.2.1 经典的结构安定性理论 115
4.2.2 受损结构的安定性理论 117
4.2.3 蠕变对结构安定/棘轮效应的影响 119
4.3 压力容器安定及棘轮极限载荷分析 119
4.3.1 压力容器的安定极限载荷分析方法 120
4.3.2 压力容器的棘轮极限载荷分析方法 122
4.4 压力容器安定与棘轮设计的弹性路线方法 125
4.4.1 基于ASME Ⅲ标准的安定/棘轮弹性分析法 126
4.4.2 基于RCC-MRx规范的安定/棘轮弹性分析法 130
4.4.3 基于R5规程的安定/棘轮弹性分析法 132
4.5 压力容器安定与棘轮设计的简化非弹性方法 135
4.5.1 基于ASME Ⅲ-5 HBB标准的简化非弹性分析法 135
4.5.2 基于ASME Ⅲ N-861标准的理想弹塑性分析法 140
4.6 压力容器安定与棘轮设计的非弹性方法 141
4.6.1 基于ASME Ⅲ-5 HBB标准的非弹性分析法 141
4.6.2 基于RCC-MRx规范的非弹性分析法 141
4.7 压力容器安定与棘轮设计案例 142
4.7.1 ASME Ⅲ-5 HBB标准中弹性分析方法 143
4.7.2 RCC-MRx规范中弹性分析方法 144
参考文献 145
本章主要符号说明 150
第5章 压力容器的蠕变-疲劳耦合损伤及强度设计 151
5.1 蠕变-疲劳耦合损伤现象与基本概念 151
5.2 蠕变-疲劳耦合下的实验研究 153
5.2.1 基于光滑试样的蠕变-疲劳耦合实验 153
5.2.2 含缺口试样的蠕变-疲劳交互作用实验研究 156
5.3 蠕变-疲劳耦合下的本构理论 158
5.3.1 分离型循环黏塑性本构模型 158
5.3.2 Chaboche统一型循环黏塑性本构模型 159
5.3.3 Ohno-Wang统一型循环黏塑性本构模型 160
5.3.4 损伤耦合统一黏塑性本构模型 161
5.4 蠕变-疲劳耦合作用下的寿命预测 163
5.4.1 寿命-时间分数模型 163
5.4.2 频率修正模型及其改进形式 163
5.4.3 应变范围划分模型 164
5.4.4 临界距离理论模型 165
5.4.5 考虑循环软硬化与松弛效应的寿命预测模型 166
5.4.6 基于应变能密度耗散的寿命预测模型 167
5.5 基于ASME标准的压力容器蠕变-疲劳强度设计 168
5.5.1 基于弹性路线的蠕变-疲劳强度分析 168
5.5.2 基于非弹性路线的蠕变-疲劳强度分析 174
5.6 基于RCC-MRx规范的蠕变-疲劳强度设计 175
5.6.1 基于弹性路线的蠕变-疲劳强度分析 175
5.6.2 基于非弹性路线的蠕变-疲劳强度分析 177
5.7 基于R5规程的压力容器蠕变-疲劳强度设计 178
5.8 压力容器蠕变-疲劳分析案例 182
参考文献 185
本章主要符号说明 187
第6章 压力容器的屈曲及蠕变屈曲设计 190
6.1 压力容器的屈曲现象 190
6.1.1 瞬态屈曲及基本概念 190
6.1.2 蠕变屈曲现象 192
6.2 屈曲理论及相关基础研究进展 193
6.3 压力容器屈曲设计的原理与判据 197
6.4 压力容器瞬态屈曲设计的基本技术路线及相关规范简介 197
6.4.1 压力容器瞬态屈曲设计的基本技术路线 197
6.4.2 压力容器瞬态屈曲设计的规范简介 198
6.5 压力容器瞬态屈曲的弹性分析方法 199
6.5.1 基于ASME Ⅲ-NB标准的弹性分析方法 200
6.5.2 基于ASME Ⅲ N284标准的弹性分析方法 203
6.5.3 基于ASME Ⅲ N759标准的弹性分析方法 208
6.5.4 基于RCC-MRx规范的弹性分析方法 211
6.6 压力容器瞬态屈曲的非弹性分析方法 213
6.6.1 基于ASME Ⅲ-NH标准的非弹性分析方法 213
6.6.2 其他规范提供的非弹性分析方法 215
6.7 高温压力容器蠕变屈曲设计的基本路线及相关标准简介 215
6.7.1 压力容器蠕变屈曲设计的基本路线 215
6.7.2 压力容器蠕变屈曲设计的相关标准简介 216
6.8 高温压力容器的蠕变屈曲设计方法 217
6.8.1 基于规范的蠕变屈曲非线性设计方法 217
6.8.2 压力容器蠕变屈曲的简化分析方法 218
6.8.3 压力容器蠕变屈曲设计的线算图法 220
6.9 压力容器屈曲与蠕变屈曲分析案例 224
6.9.1 受压圆筒的屈曲分析 224
6.9.2 受压圆筒的蠕变屈曲分析 228
参考文献 231
本章主要符号说明 234
第7章 高温紧固件的应力松弛及设计方法 237
7.1 高温紧固件的应力松弛及失效 237
7.1.1 高温紧固件的应力松弛现象 237
7.1.2 高温紧固件的失效 239
7.2 高温紧固件应力松弛的基本理论 239
7.2.1 应力松弛的基本特征 239
7.2.2 应力松弛性能的表征参量 240
7.2.3 应力松弛的理论方程 241
7.3 结构应力松弛行为的影响因素 242
7.3.1 应力松弛行为的材料依赖性 242
7.3.2 环境与服役条件对应力松弛的影响 243
7.3.3 系统因素对应力松弛行为的影响 246
7.4 应力松弛与蠕变方程的转换 248
7.4.1 从应力松弛到蠕变的转换 248
7.4.2 从蠕变到应力松弛的转换 249
7.5 高温紧固件应力松弛行为的有限元分析 249
7.6 压力容器紧固件的应力松弛和强度设计 250
7.6.1 高温螺栓应力松弛设计标准简介 250
7.6.2 基于ASME标准的螺栓应力松弛设计方法 252
7.6.3 基于RCC-MRx规范的螺栓应力松弛与强度设计 259
参考文献 265
本章主要符号说明 269
第8章 基于断裂理论的高温压力容器强度分析与安全评价 271
8.1 裂纹发现及结构强度设计理念的演变 271
8.1.1 裂纹发现及断裂理论的发展 271
8.1.2 结构强度设计理念的演化 273
8.2 裂纹扩展的控制参量及断裂模型 275
8.2.1 疲劳断裂参量及模型 276
8.2.2 蠕变断裂参量及模型 279
8.2.3 多裂纹耦合及断裂参量修正 284
8.2.4 蠕变断裂的拘束效应 288
8.2.5 蠕变-疲劳交互作用下的断裂参量及模型 291
8.3 蠕变-疲劳交互作用下的寿命预测模型 294
8.4 环境对裂纹扩展的影响 297
8.5 高温压力容器裂纹的扩展分析与剩余寿命评价 299
8.5.1 工程检出裂纹的规则化 299
8.5.2 基于RCC-MRx规范A16附录的高温裂纹扩展分析 303
8.5.3 基于R5规程的高温裂纹扩展分析及寿命评价 307
8.5.4 基于ASME标准的疲劳裂纹扩展分析及寿命评价 312
8.6 压力容器中裂纹分析及评价案例 313
参考文献 314
本章主要符号说明 319
第9章 核压力容器的辐照效应及耦合损伤分析 322
9.1 核压力容器中的辐照效应与危害 322
9.2 材料辐照损伤的研究历史及现状 324
9.3 辐照损伤的微观机制 325
9.3.1 辐照所致的元素偏析 326
9.3.2 辐照对相稳定性的影响 328
9.3.3 辐照促成的位错结构 329
9.3.4 辐照所致空洞和空泡 331
9.4 辐照变形及其估算方法 332
9.4.1 辐照肿胀 332
9.4.2 辐照蠕变 336
9.5 辐照损伤对力学性能和寿命的影响 338
9.5.1 辐照损伤对断裂韧性的影响 338
9.5.2 辐照损伤对断裂延性的影响 343
9.5.3 辐照损伤对蠕变断裂寿命的影响 346
9.5.4 辐照损伤对疲劳(循环)寿命的影响 349
9.6 基于标准规范的核压力容器辐照损伤分析 353
9.6.1 基于RCC-MRx规范的分析方法 355
9.6.2 基于ETSDG规范的分析方法 356
9.6.3 基于PNAE G-7-002-86规范的分析方法 357
9.6.4 直接分析方法 357
9.7 典型部件辐照变形分析案例 358
参考文献 360
本章主要符号说明 364
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