球形压力容器埋藏裂纹的影响探析

球形压力容器埋藏裂纹的影响探析

付红栓 李赵

上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

摘要:经过认真的分析之后发现，压力容器出现失效、断裂、裂纹等各种问题，引发原因具有多样性，例如：疲劳制造工艺以及复杂性的应力状态等都会增加裂纹出现的可能和概率，所以还需要进行深入分析。因此，本篇文章主要对球形压力容器埋藏裂纹的影响进行研究，以做参考。
关键词:球形压力容器；埋藏裂纹；影响；
众所周知，球形压力容器的体积都非常大，而且其中所装的介质都具有复杂性的特点，再加上工作压力所带来的影响，极有可能会出现燃烧、爆炸等严重问题，一旦发生事故，破坏力极强，对工作人员的人身安全必然会产生威胁，所以在新时代的大背景之下，国家与相关部门对球形压力容器的发展、使用都加强关注与重视。基于此，本文下面主要对球形压力容器埋藏裂纹的影响展开深入的探讨。
1、压力容器埋藏裂纹分析
现如今我们国家的机械、石油化工等领域都在有条不紊的发展当中，压力容器凭借着自身强大的优势与特点得到广泛的应用，并获得一致的好评，但是因为受到疲劳以及腐蚀等各种原因所带来的影响，在压力容器的内部以及表面有时会出现裂纹，裂纹在慢慢的扩展当中， 会由最开始的不规则裂纹变成类似于椭圆形的裂纹，所以相关工作人员会应用椭圆面展开相关的模拟，所以对压力容器裂纹的研究，是对含缺陷机构完整性评价的一项关键内容。因为疲劳、腐蚀等各种因素，对球形容器所产生的影响也会有很大的不同，国内有许多专家和学者对压力容器裂纹展开了深入的分析。
2、球形压力容器所存在的问题分析
首先，加入到球形压力容器制造过程当中去的原材料不符合标准。经过认真的调查之后发现，球形压力容器使用材料能够满足设计要求的只占30%左右，之所以会出现球形压力容器爆炸问题，其中有很大一部分原因就是所使用的建设材料不合格所导致的。其次，球形压力容器的表面出现大量的裂纹，一个压力容器上面的裂纹达到了一定的数量，那么必然会对压力容器总体带来极大的影响和伤害。再则，在对球形压力进行检测的过程当中，会应用磁粉、超声波探伤等方法，发现压力容器焊缝内部出现夹杂或者是气孔等问题，这些问题已经完全超过相关的标准。最后，咬边、错位、漏焊等各种问题非常常见，几乎在球形压力容器的上面都可以见到。压力容器出现裂纹问题是非常严重的，甚至会引发非常大的安全事故，因此，工作人员一定要加强关注与重视。

3、有限元法可靠性的证实
为了确保最终的有限元结果具有真实性和可靠性，还需对其展开验证，遵循相关的范围要求，应用有限元法计算球形压力容器外表面半椭圆裂纹，之后与理论结果进行合理比较，验证是否依然满足误差所提出来的要求。例如：当压力容器参与到工作过程当中去之后，最大工作压力为30Mpa，内部直径依然达到了700mm，壁厚为60~75mm，底部是裙座结构。在进行网格划分的过程当中，会把压力容器沿着中心对称分割，分割为四个部分，其中必须包括有裂纹的一部分，这一部分的压力容器网格主要应用了 10节点Solid87四面体单元，而其他的部分主要应用的是20节点Solid86六面体单元，裂纹网格类型主要应用的是20节点Solid86六面体，单元之后又采用了 Contact174接触单元，这样做的目的是为了确保裂纹网格和压力容器网格真正的实现连接，之后再 30Mpa内压载荷之下，对球罐和裙座的连接处应用了位移束缚，并设置出裂纹尖端为线积分计算的积分条数共为六条，最终得到裂纹面应力裂纹尖端处所呈现出来的应力集中，将红色区域附近的应力数值与罐体上面的应力值进行比较，发现高出10倍不止，所以裂纹的存在会对压力容器的安全性产生不断的影响。图1是裂纹应力与 KΙ 分布图。

图1 裂纹应力与 KΙ 分布图

4、埋藏裂纹有限元分析

通过对图2当中的界限进行分析和研究，发现工作压力的不同，轴向埋藏裂纹扩展的形式却有许多相同的地方，之所以会出现这样的情况，主要是由椭圆长径方向向着偏短径的方向所展，而且扩展的距离是以循序渐进的方式再在增加，最终裂纹的状态并不是呈现出了椭圆形状态，而是与圆形非常的相似。图2是裂纹扩展形态。

图2 裂纹扩展形态

通过对图3当中的内容进行分析，会发现沿着各个裂纹角扩展的路径上面，有扩展长度之间呈现出线性关系工作压力的不同，各个扩展角路径与扩展长度之间的斜率是保持相等的， 压力越高的话 k₁越高，裂纹角已然到达90度时，在最开始的阶段，扩展曲线已经呈现出了非线性的状态，k₁ 与扩展长度之间的斜率是非常大的，但是扩展长度最小。夹角为零度时， k₁与扩展长度之间的斜率是最小的，但是扩展长度就是最长的。

图3 不同裂纹角应力强度因子变化

通过对图4当中的内容进行分析，会发现横坐标主要是裂纹尖端各个点位和计算起始点 尖端弧长与总弧长的比较数值，将下面作为起点慢慢向上的曲线以一致的方式为初始扩展到最终扩展步的裂纹尖端应力强度因子变化曲线。在一定的压力影响之下，裂纹扩展当中的k

₁趋势都是非常相似的。之后扩展距离在不断的延长，椭圆裂纹的尖端k₁也在升高当中，每一个节点上 k₁大小越来越相似，应力强度因子最大值和最小值之间的差异也变得越来越小。

图4 不同载荷下裂纹扩展应力强度因子变化

5、结论
通过对压力容器埋藏裂纹应用有限元方法展开了认真的分析，将裂纹的半径比和裂纹扩展作为的入手点，以综合的方式对轴向埋藏裂纹、断裂产量的特点进行分析，之后展开总结，因为影响裂纹面上的应力垂直与裂纹面所以内压荷载所带来的影响，让压力容器轴向埋成裂纹扩展的最终形态和拉伸和在和无限大体内埋藏裂纹的扩展形态之间变得非常相似，所以裂纹最终扩展状态与裂纹面上的应力分布之间有着紧密的联系和关系。

参考文献：

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