斷裂力學(xué)在壓力容器分析中的應(yīng)用

李冠峰　萬(wàn)玉芳

摘 要：伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)機(jī)械設(shè)備行業(yè)也得到了極大的發(fā)展。壓力容器是一種需要承載壓力的密閉設(shè)備，在我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的不斷擴(kuò)大，壓力容器也逐漸向大型化方面發(fā)展，但在其快速發(fā)展的今天，仍存有大量質(zhì)量問(wèn)題，如裂紋現(xiàn)象。為更好地提升壓力容器的質(zhì)量，本文基于斷裂力學(xué)理論，對(duì)壓力容器的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué)；壓力容器；應(yīng)用分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.188

1 斷裂力學(xué)理論分析

一般情況下，可由超聲探測(cè)方式檢測(cè)裂紋，但儀器無(wú)法檢測(cè)到裂紋擴(kuò)展早期的情況，長(zhǎng)此以往，小裂縫呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的現(xiàn)象，最后達(dá)到許用臨界值，產(chǎn)生脆性斷裂。工作應(yīng)力在許用應(yīng)力以下是計(jì)算傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全的依據(jù)，但具體操作中，往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力破壞問(wèn)題，這是情況下與傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)存有差異，即存有結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷問(wèn)題。為防止出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題，在分析壓力容器缺陷時(shí)可依據(jù)斷裂力學(xué)理論進(jìn)行研究。以研究對(duì)象進(jìn)行劃分，線彈性斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂學(xué)為構(gòu)成斷裂力學(xué)理論的主要內(nèi)容。線彈性斷裂力學(xué)主要是對(duì)大型構(gòu)件、脆性材料平面應(yīng)變斷裂問(wèn)題進(jìn)行處理。其通過(guò)彈性力學(xué)內(nèi)的線彈性理論分析裂紋體力學(xué)性能，且通過(guò)分析獲取確定斷裂紋擴(kuò)展規(guī)律的相關(guān)因素，如應(yīng)力強(qiáng)度因子等。在裂紋尖端周?chē)哂休^小塑性變形區(qū)的情況下，通常也會(huì)選取斷裂力學(xué)進(jìn)行探討。而彈塑性斷裂力學(xué)理論與前者存有極大的不同，其主要用于裂縫尖端塑性區(qū)尺寸與裂紋尺寸相近或在其之上，因研究對(duì)象存有差異性，可具體劃分為2類(lèi)：J積分理論、COD理論。在驗(yàn)證壓力容器缺陷時(shí)，選用最多的斷裂力學(xué)理論為COD理論，也就是斷裂出現(xiàn)的應(yīng)力、應(yīng)變值組合與臨界值相符。因構(gòu)件存有缺陷，只有在其外加載荷低于塑性失穩(wěn)載荷、或應(yīng)力強(qiáng)度因子在斷裂認(rèn)讀以下時(shí)，才能斷定其為失效狀，進(jìn)而可將基于塑性失穩(wěn)和線彈性斷裂的2種依據(jù)的曲線圖導(dǎo)出。在斷裂力學(xué)理論內(nèi)，COD理論只能被看做是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方式，如作為一個(gè)參量，其不具備直接性、嚴(yán)密性，特別是在計(jì)算、分析裂紋尖端張開(kāi)位移時(shí)難度較大，因此，由系統(tǒng)能量守恒方面出發(fā)，美國(guó)Rice教授提出了參量J積分。其不僅能夠?qū)α鸭y尖端應(yīng)力變場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行全面描述，還能夠便于理論分析、計(jì)算。J積分具備清晰的理念、嚴(yán)密的理論，并適用于線彈性、彈塑性等環(huán)境下的斷裂分析，尤其是在彈塑性斷裂參量判定中J積分得到了人們的認(rèn)可，且被廣泛應(yīng)用于實(shí)踐中。其可對(duì)裂紋體起裂現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)定，并能夠?qū)α鸭y體撕裂過(guò)程進(jìn)行分析，是評(píng)定撕裂失穩(wěn)的科學(xué)依據(jù)。

2 斷裂力學(xué)在壓力容器分析中的應(yīng)用

在壓力容器運(yùn)行使用過(guò)程中，往往會(huì)產(chǎn)生大量質(zhì)量問(wèn)題，為此，必須按照現(xiàn)行規(guī)程開(kāi)展在役壓力容器安全技術(shù)檢驗(yàn)，將安全隱患徹底扼殺。針對(duì)超標(biāo)等缺陷問(wèn)題，如采取傳統(tǒng)方式予以消除，呈現(xiàn)出效果不佳、成本高等問(wèn)題。為此，在安全評(píng)定時(shí)更多人傾向于采取斷裂力學(xué)理論，其不僅能夠確保設(shè)備運(yùn)行安全，還節(jié)省時(shí)間，增加經(jīng)濟(jì)效益。為更好地了解斷裂力學(xué)在壓力容器分析中的應(yīng)用，可以某壓力容器缺陷為例進(jìn)行探討。

2.1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

某壓力容器屬于II類(lèi)容器，設(shè)定1.5Mpa為其設(shè)計(jì)壓力，CH3CI為介質(zhì)，16MnR為材質(zhì)，1Mpa為工作壓力，要求在60℃以下控制其設(shè)計(jì)溫度。

2.2 計(jì)算缺陷

通過(guò)X射線進(jìn)行該壓力容器缺陷探測(cè)，得出其環(huán)焊縫底片存有超標(biāo)缺陷，共兩處分別為102、106。隨后選取超聲波再次進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。由此得出，埋藏裂紋為其缺陷。

其中，埋藏裂紋到2自由表面的最小距離可通過(guò)P1（8mm）、P2（10mm）表示；板厚方向平面缺陷的尺寸最大值則由H（2mm）表示；

板寬方向平面缺陷長(zhǎng)度最大值可由實(shí)際L1（20mm）、L2（15mm）表示。因H小于L1、L2；且0.4H小于P1、P2，可將該缺陷轉(zhuǎn)化為橢圓形埋藏裂紋，由此計(jì)算其等效裂紋尺寸，分別為0.99mm、0.97mm。

2.3 缺陷的斷裂分析

（1）計(jì)算應(yīng)力及應(yīng)變。通過(guò)以上論述，計(jì)算應(yīng)力時(shí)可在水壓試驗(yàn)最危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行。因，可依據(jù)彈性情況進(jìn)行計(jì)算分析，則對(duì)應(yīng)于的應(yīng)變公式為：

其中，彈性模量可由E表示，其選取2x105Mpa。

這種情況下，可得出應(yīng)變。

（2）確定材料性能數(shù)據(jù)。按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為主，但本壓力容器試樣難以獲取，無(wú)法進(jìn)行實(shí)測(cè)。此時(shí)可參考16MnR系國(guó)內(nèi)類(lèi)似壓力容器用鋼數(shù)據(jù)，可獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。安全技術(shù)分析過(guò)程中，選取0.06mm作為最低值，為確保壓力容器運(yùn)行安全，應(yīng)選取0.06mm的50%進(jìn)行分析，即選取0.03mm作為裂紋張開(kāi)位移COD臨界值。此時(shí)，可通過(guò)下式表示材料平面應(yīng)變斷裂韌度。

其中泊松比由v表示，且v=0.24，最終獲取。

（3）脆斷評(píng)定。第一，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，公式為=311N/mm3/2

由此可見(jiàn)，Kl/Klc=0.177，0.6>0.177，此時(shí)屬于安全狀態(tài)。

第二，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，進(jìn)行允許裂紋尺寸計(jì)算，公式為

因等效裂紋尺寸最大為0.99mm<10.06mm，因此此缺陷不存有破壞性。第三，確定允許缺陷尺寸。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，需符合。通過(guò)圖1可以得出，1mm為值，由此可見(jiàn)，該值與上式相符，可確定。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，壓力容器在日常運(yùn)作的過(guò)程中需要承載一定的壓力，容易出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題。因此要定期對(duì)壓力容器進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力容器存在的質(zhì)量問(wèn)題，減少安全隱患，保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。但是由于壓力容器的特殊性能，在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵循斷裂力學(xué)相關(guān)理論，要求在不損害壓力容器使用性能的情況下，對(duì)壓力容器的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。且根據(jù)壓力容器的具體情況選取合適的方法進(jìn)行檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王歐蘭，嚴(yán)偉.低溫壓力容器設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問(wèn)題的探究[J].科技資訊，2014（14）：221.