(高清版)GBT 40541-2021 航天金属压力容器结构设计要求

ICS49.020GB/T40541—2021航天金属压力容器结构设计要求(ISO14623:2003,Spacesystems—Pressurevesselsand国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T40541—2021本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件使用重新起草法修改采用ISO14623:2003《航天系统压力容器和承压结构设计和操本文件与ISO14623:2003相比在结构有较多调整，附录A中列出了本文件与ISO14623:2003的章条编号变化对照一览表。本文件与ISO14623:2003相比存在技术差异，这些差异涉及的条款已通过在其外侧页边空白位置的垂直单线(|)进行了标示，附录B中给出了相应技术差异及其原因的一览表。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归口。ⅡGB/T40541—2021技术的快速发展需要不断增加能源的数量。金属贮箱压力容器结构是航天产品的主体结构。贮箱结构是影响航天产品结构设计质量的关键技术，同时也是火箭结构追求结构轻质化的关键基础技术。航天压力容器结构及承压构件的设计和运行有重大意义，有必要对金属压力容器及承压构件的设计制定特强的推动作用。1GB/T40541—2021航天金属压力容器结构设计要求求等。本文件适用于运载器和航天器金属压力容器结构设计。下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文GB/T150.1压力容器第1部分：通用要求GB/T150.2压力容器第2部分：材料GB/T150.3压力容器第3部分：设计GB/T4337金属材料疲劳试验旋转弯曲方法GB/T51218机械工业工程设计基本术语标准GB/T150.1～GB/T150.4、GB/T4337、GB/T51218界定的以及下列术语和定义适用于本文件。受压力的环境中。用于承载内部压力的压力容器结构。3.42GB/T40541—20213.53.63.8MS=(许用载荷/极限载荷×安全系数)—1。3.93.10极限载荷limitload3.113.123.133.143.153.163GB/T40541—20214一般要求b)结构设计和分析；d)工艺控制；e)质量保证；f)操作和维护；g)重新认证；h)使用期限延长。系统分析要求一般包括：b)确定系统外的部件工作参数对系统内最大使用载荷的影响，说明故障模式导致的误差允许各个工况。载荷与环境的要求包括：c)最大设计载荷和最大使用载荷是两个基线压力，用于设计和测试压力容器，设计时，最大使用使用载荷；非承力结构应满足以下强度设计要求：c)在内部加压至最小使用压力时，结构应承受最大的施加载荷和外部压力(失稳压力),而不会失稳或破裂；4GB/T40541—2021承力结构应满足以下强度设计要求：结构每个零部件的安全裕度；c)在内压试验过程中能够承受内压试验压力，而无总体屈服或有害变形；e)在设计温度以外的温度下进行内压试验时，确定内压试验压力过程中应说明在使用温度下材料属性的变化；变形而使任何系统的功能降低；h)屈曲的设计载荷应为极限载荷，对消除屈曲作用有利的载荷的极限设计安全系数不能随着载荷增大而增大；j)最低安全裕度必须为正，应通过分析或测试验证最低安全压力容器应满足以下刚度设计要求：他航天器系统不利的相互作用；压力容器的设计应考虑以下热环境要求：d)热应力和变形；e)构造材料物理性能与力学性能的变化。压力容器应满足以下应力分析的要求：5GB/T40541—2021a)在假设结构中无裂纹缺陷的情况下，应进行每个新设计金属结构产品的详细应力分析和综合施加载荷引起的膜应力和弯曲应力的计算结果；d)依据各个载荷和压力组合，使用恰当的设计安全系数，且相应的结果应与材料许用值进行e)对于支撑压力容器的主要结构，应考虑施加载荷的设计安全系数；h)应使用可靠的试验数据验证分析方法；热影响区相关的最小安全裕度，并且绘制所有金属结构产品最小安全裕度随着其位置和应力4.3.6LBB失效模式验证应通过分析或试验验证金属压力容器结构的LBB失效模式，如果类似设计的经验充分，已经验证过类似设计具有LBB失效模式，可以省略LBB验证。4.3.6.2LBB分析a)不会因表面裂纹而失效；b)不会在结构厚度方向增大，成为一个穿透裂纹(长度=10倍贮箱结构产品的厚度),且保持稳定。4.3.6.3LBB试验压力容器LBB失效模式试验应满足以下要求：a)应采用试验试样或具有预制表面裂纹的全尺寸产品验证LBB失效模式，其作为试验产品；b)试验产品的材料(母材、焊缝和热影响区)和厚度应与飞行服役产品保持一致；d)预制表面裂纹的缺陷形状范围应为0.1～0.5;e)试验产品的应力(或应变)循环应与最大应力(或应变)条件下的产品一致，最大应力(或应变)条件对应的最大使用载荷水平，且最小应力(或应变)保持为零或实际最小应力(或应变)条件6GB/T40541—2021对应的使用载荷水平(两者取更保守的情况),直到表面裂纹增长或穿过试样厚度方向，成为穿透裂纹；f)如果穿透裂缝的长度大于10倍的试样厚度，且保持稳定，则验证LBB失效模式。4.3.7疲劳寿命压力容器疲劳寿命应满足以下要求。a)用常规疲劳分析验证无缺陷金属结构产品的疲劳寿命时，应采用疲劳寿命特性的标称值[包括结构材料或材料的应力寿命(S-N)数据或应变寿命(s-N)数据],这些数据应取自可靠来源，分析还应说明预期的工作载荷、压力和环境。b)对于处理变幅疲劳循环加载，可采用累积线性损伤方法(Miner方法)。c)除另有规定，疲劳分析的使用寿命系数取4。d)使用Miner方法的累积疲劳损伤限值应为正常限值的80%。数学中，Miner方法表示为式 (1)式中：n,--——应力水平i所适用循环次数的4倍；N-—应力水平i失效的循环次数，且将i=1到k求和。e)可通过测试无缺陷试样，分析验证压力容器结构产品的疲劳寿命。f)以无缺陷试样代表临界区域(如膜部分、焊缝、热影响区和壳体过渡区域)或全尺寸产品，能够承受在预期工作环境中测试循环和持续时间的工作载荷和压力，并不会破裂，符合疲劳寿命要求，所需的测试持续时间至少是使用期限或循环次数要求的4倍。g)应编制疲劳分析和试验报告，疲劳分析报告应记录加载谱、环境、疲劳(S-N)或(s-N)数据和分析结果，还应给出试样配置、试验台、试验加载谱、环境以及试验结果，且与强度分析报告相关联。4.3.8安全寿命验证通过分析或试验验证压力容器结构的安全寿命，应满足以下要求：a)无法定期检查和维修的产品，安全寿命应至少是规定使用寿命的4倍；b)当发生泄漏时，含有危险液体压力容器结构产品的安全寿命终止；c)易于定期检查和维修的产品，安全寿命应至少是定期检查间隔的4倍。4.3.8.2安全寿命分析压力容器的安全寿命分析应满足以下要求：a)如使用断裂力学裂纹扩展分析来确定结构产品的安全寿命时，相对于所施加的应力和材料特性，应假设未检测到的缺陷处于关键位置，且处于最不利的方向上，假定的缺陷尺寸应基于适当无损检测技术的缺陷检测能力或由内压试验来确定。缺陷形状(a/2c:0.1～0.5)应视为表面裂纹；对于角裂纹，应说明缺陷形状(a/c:0.2～1.0);b)在安全寿命分析中应使用与每种合金、热处理、产品形式以及热和化学环境相关的断裂韧性和疲劳裂纹生长率数据标称值；c)如使用内压试验来确定初始缺陷尺寸，应使用上限断裂韧性值来确定初始缺陷尺寸和断裂处的损伤裂纹尺寸；7GB/T40541—2021d)经受持续应力的压力容器结构产品应表明在工作过程中持续载荷作用期间相应的最大应力强度因子(Kmx)小于服役环境中的应力腐蚀裂纹阈值(KIscc),即Kmax<KIscc;e)分析中应包括有害拉伸残余应力；f)应使用经过验证的裂纹扩展方法进行安全寿命分析；对于部分穿透裂纹(表面缺陷或角裂纹),在分析中应说明缺陷形状的变化；压力容器的安全寿命测试应满足以下要求：a)可采用安全寿命测试进行安全寿命验证；选无损检测技术或验收液压试验所确定的缺陷尺寸；证了安全寿命；应允许维修和翻新产品达到符合飞行标准的设计应满足以下需求：b)检查；d)维修(包括某些零部件的更换);e)修复。压力容器结构材料应满足以下要求：纹扩展和应力腐蚀特征；b)对于结构产品(其中单个载荷路径的失效会损失结构完整性),应使用材料的A-基准许用值；c)对于冗余结构组成部件(其中一个组成部件失效，可以安全的重新分配载荷作用于其他组成部件),可以使用材料的B-基准许用值。8GB/T40541—2021压力容器结构材料评估应满足以下要求：和维修配置中产生强度和断裂性能的其他相关因素；剂相溶和预期的工作环境的适应性；c)当没有适用的数据时，应通过进行持续载荷-断裂测试来评估易于发生应力腐蚀裂纹或氢脆的材料。压力容器结构材料表征应满足以下要求。c)特征应包括母材、焊缝和热影响区[含流体含量、载荷谱和预期工作环境(包括耐压测试环境)的函数]的如下强度和断裂特性：2)平面应变断裂韧性(K₁c)、有效断裂韧性(K1e)和应力腐蚀裂纹阈值韧性(KIsc);3)疲劳裂纹扩展率(da/dN)与应力强度因子范围(△K);4)疲劳数据S-N(e-N)曲线。评估是否符合4.3.8.2中安全寿命要求。e)测试方案和测试结果应由客户批准。工艺控制要求应满足以下要求：9GB/T40541—2021b)确保有效实施必要的无损检测和验收测试，验证产品是否符合本文件的或评估可能导致失效的缺陷。的检验点和检查技术措施；c)缺陷几何形状应包括通常遇到的缺陷(包括表面裂纹、角裂纹或贯穿裂纹);d)应针对每个检查阶段和每种检查技术确定验收和拒收标准。检查技术应满足以下要求：a)对于所有结构及其缺陷探伤能力，使用检测常见缺陷类型最合适的无损检测技术；陷的位置、每个缺陷相对于其他缺陷的位置以及缺陷之间的距离、缺陷类型(从紧密裂纹到球形空隙)的差异；c)对于仅通过一种方法无法充分检查的零件或组件，应使用两种或更多种无损检测方法；d)对于每种结构产品选定的缺陷探伤能力的无损检测技术应基于成熟可靠的方法，如果没有足e)无损检测技术应能够检测允许的初始缺陷大小(对应于95%置信水平下检测概率为90%),探伤能力用可探测裂纹长度和裂纹深度表示。提出校正措施。验收耐压试验应满足以下要求：GB/T40541—2021c)耐压测试液体不得对试验人员构成危害，并且应与压力容器中的结构材料相容。如没有相溶d)应在验收测试之前制定接收和拒收标准；操作和维护的工作程序应满足：a)应为每个压力容器产品制定工作程序，这些工序应与作业设施的安全要求和人员控制要求相一致；c)必要时，应按照具体情况给出原理示意图(表明安全阀和爆破的位置和压力极限),且应确保加压系统与压力容器相兼容的程序；得到良好的预演，然后在不超过额定工作压力50%的压力水平进行初始测试，直到可以确定工作特性；告标志。b)临界设计条件；c)最大使用压力；d)额定工作或者工作压力；e)液压试验压力；f)设计破裂压力；g)加压和减压顺序；h)操作循环极限；i)设计和工作温度；k)允许的热和化学环境；1)允许的泄漏水平与压力值。检查和维护应满足：GB/T40541—2021检验和维修的定量方法；d)分析应包括预测剩余使用期和重新评估所需的检查间隔。a)应采取保护措施，以防止处于可能引起腐蚀或其他形式材料性能衰c)应通过使用适当的贮存工装设计，使得由于贮存工装约束引起的应力最小；d)贮存条件；e)从制造到服役使用(包括修复)的维护和校正措施；f)结构损伤和修复程度的草图和照片；g)进行的验收和重新认证测试(包括测试条件和结果);h)影响将来使用能力的维修或修复的分析。a)对于LBB非危险压力容器，可通过常规疲劳分析或测试确定允许的使用期限；工作期限；c)使用分析方法或试验方法的合格性试验的疲劳等效条件，应使用实际的载荷谱和环境数据；GB/T40541—2021d)应评估对应过去使用期限的累积损伤；e)对于脆性或LBB危险压力容器，应通过断裂力学分析确定允许的使用期限。5详细要求5.2非承力结构a)方法1:在泄漏量并不产生可能导致事故的条件(如：有毒气体排放或不能增加压力的舱室加压)情况下的LBB,5.2.2给出了方法1的验证要求；b)方法2:脆性断裂失效模式或危险LBB失效模式(如果金属压力容器发生泄漏，其中泄漏将导致危险),5.2.3给出了方法2的验证要求。5.2.2具有非危险LBB失效模式5.2.2.1LBB验证含有非危险流体且具有LBB失效模式的金属压力容器视为不存在断裂临界值。依据4.3.6中规定的要求进行的分析或测试，应验证LBB失效模式。可以按常规设计符合非危险LBB失效模式标准要求的金属压力容器，其中基于成功的经验选择安b)外部(支撑)载荷的安全系数应与压力容器结构分配的安全系数相同。对于无人系统，施加载荷的最小极限安全系数为1.25;对于载人系统，施加载荷的最小极限安全系数为1.4。通过4.3.7规定的分析或试验验证非危险LBB失效模式下金属压力容器的疲劳寿命。a)对于非承力金属压力容器应进行合格c)合格性试验中的测试参数和测点位置应基于4.3.5的应力分析结果去确定；GB/T40541—2021合格性压力测试见表1,并满足以下要求：a)考虑施加载荷对应力和失稳作用的影响和综合作用；b)如测试压力下的应力水平达到了极限组合拉应力的情况，c)需施加载荷，荷载应为实际使用工况的循环极限下的循环次数的4倍，循环极限是最恶劣的设测试项目试验后不发生屈服不破裂容器(编号：1⁶)—爆破系数×最大使用载荷容器(编号：2)压力：1.5×最大使用载荷循环：2×预期次数；或者压力：1.0×最大使用载荷循环：4×预期次数爆破系数×最大使用载荷“除非另有说明，在验证设计爆破压力测试水平不发生破裂之后，将压力增加到实际容器爆破压力。b由客户决定测试。a)试验程序应由客户批准；验收测试应满足以下要求：b)在测试之前制定接收和拒收标准；前的无损检测可以代替制造过程的无损检测。构是否适合飞行要求；GB/T40541—2021b)压力测试的最长持续时间不得超过实际使用的时间，以避免由于应力腐蚀裂纹引起的潜在裂c)最低压力承载水平的指导原则见表2。爆破系数压力承载(1+爆破系数)/2×(最大使用载荷)1.5×(最大使用载荷)在耐压试验之后应进行泄漏测试。重新认证测试需要满足以下要求：定其在计划飞行之前是否适合继续使用；b)只有能够验证的金属压力容器的维修部件不受测试影响的情况下，才允许进行重用于一次飞行的结构产品，根据5.2.2.4.2,进行每个飞行时序的压力测试(1.5×最大使用载荷)和常规疲劳分析(至少10个设计使用期)可以替代压力测试，且在实施前经客户批准。应基于断裂力学的安全寿命设计方法制定金属压力容器的设计安全系数以及相关的验证安全系结构材料与预期工作热和化学环境的相容性；为1.5,除非另有规定；最小极限安全系数为1.25;对于载人系统，施加载荷的最小极限安全系数为1.4。按照4.3.8通过分析和测试进行安全寿命验证。具有脆性断裂或危险LBB失效模式金属压力容器的合格性试验要求应依据5.2.2.4具有非危险LBB失效模式的金属压力容器的合格性试验要求。具有脆性断裂或危险LBB失效模式金属压力容器的验收测试要求与5.2.2.5相同，测试载荷可依应符合5.2.2.6的要求。除非进行断裂力学安全寿命分析，应符合5.2.2.7的要求，缺陷尺寸和形状应基于压力测试或无损检测方法。5.3承力结构对于金属承力结构(如：运载火箭的铝合金贮箱箱体),在使用工况下，设计方法可以基于成功的经5.3.2无危险LBB失效模式依据4.3.6验证LBB失效模式。符合4.3.7中给出的疲劳寿命要求。合格性试验应满足以下要求：e)合格性试验应包括压力循环测试和爆破测试。压力循环测试应满足以下要求：GB/T40541—2021a)应考虑载荷施加对应力和失稳作用的影响，同时考虑其综合作用；b)如果最大使用压力的应力水平包络极限组合拉应力，则不需要施加外载c)如果需要施加外载荷，载荷为实际使用循环工况的循环极限的4倍，循环极限是最严酷设计条在压力循环测试之后应进行泄漏测试。c)对于无人系统最小设计爆破压力为1.25×最大使用压力，对于载人系统最小设计爆破压力为d)尽可能在最严酷温度下进行爆破测试，否则试验压力中应说明温度对材料性能的影响；e)合格性试验程序应由客户批准；验收测试满足以下要求：b)在测试之前确定接收和拒收标准；GB/T40541—20215.3.3具有危险LBB或者脆性失效模式符合4.3.8中给出的安全寿命验证要求。合格性试验应包括5.3.2.4,在压力循环测试后应进行泄漏测试；对于压力循环试验和爆破测试应符合其中的要求。具有脆性断裂失效模式或危险LBB失效模式的承压结构，验收测试要求应与没有危险LBB失效模式承压结构的验收测试要求(见5.3.2.5)相同，除非所选的无损检测技术能够探测小于初始缺陷尺寸的缺陷或裂纹，初始缺陷尺寸的确定参见安全寿命分析。在压力测试后，应对断裂临界焊缝进行无损检测。符合5.3.2.6中给出的要求。应进行断裂力学安全寿命分析，还应满足5.3.2.7中给出的或选定的无损检测方法。GB/T40541—2021(资料性)本文件与ISO14623:2003相比的结构变化情况本文件与ISO14623:2003相比在结构有较大调整，具体章条编号对照情况见表A.1。表A.1本文件与ISO14623:2003的章条编号对照情况本文件章条编号对应的ISO14623:2003章条编号232434.3.14.3.24.3.2.14.3.2.24.3.34.3.44.3.54.3.53.3.5.1、3.3.5.3—4.3.64.3.6.14.3.6.24.3.6.34.3.74.3.73.3.7.1、3.3.7.34.3.84.3.8.14.3.8,24.3.8.33.3.8.3、3.3.8.44.3.94.3.10GB/T40541—2021表A.1(续)本文件章条编号对应的ISO14623:2003章条编号4.4.14.4.24.4.34.6.14.6.24.6.34.6.34.6.44.6.54.7.14.7.24.7.34.7.44.7.54.7.654—4.2.14.2.24.2.2.14.2.2.24.2.2.2.120GB/T40541—2021表A.1(续)本文件章条编号对应的ISO14623:2003章条编号4.2.2.2.24.2.2.2.34.2.2.2.45.2.2.4.14.2.2.2.45.2.2.4.24.2.2.2.4a)5.2.2.4.34.2.2.2.4b)5.2.2.4.44.2.2.2.4c)4.2.2.2.55.2.2.5.14.2,2,2.55.2.2.5.24.2.2.2.5a)5.2.2.5.34.2.2.2.5b)5.2.2.5.44.2.2.2.5c)4.2.2.2.64.2.2.2.74.2.2.34.2,2.3.14.2.2.3.24.2.2.3.34.2.2.3.44.2.2.3.54.2.2.3.64.2.34.3.14.3.1.14.3.1.24.3.1.2.14.3,1.2.24.3.1.2.34.3.1.2.45.3.2.4.14.3.1.2.45.3.2.4.24.3.1.2.4a)5.3.2.4.34.3.1.2.4b)5.3.2.4.44.3.1.2.4c)21GB/T40541—2021表A.1(续)本文件章条编号对应的ISO14623:2003章条编号4.3.1.2.55.3.2.5,14.3,1,2.55.3.2.5.24.3.1.2.5a)5.3.2.5.34.3.1.2.5b)4.3.1.2.64.3.1.2.74.3.1.34.3.1.3.14.3.1.3.24.3.1.3.34.3.1.3.44.3.1.3.54.3.1.3.6附录A附录B22GB/T40541—2021(资料性)本文件与ISO14623:2003的技术性差异及其原因表B.1给出了本文件与ISO14623:2003技术性差异及其原因。表B.1本文件与ISO14623:2003的技术性差异及其原因本文件章条号技术性差异原因1对本文件规定内容重新编写，增加了本文件的适用范围本文件修改采用ISO14623:2003,结合国内应用情况，删除了本文件规定内容中复合材料压力容器的相关内容。根据国标编制要求，同时结合国内航天器试验要求