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1、 断裂力学在压力容器分析中的应用 李冠峰万玉芳摘 要:伴随社会经济的快速发展及科学技术的不断进步,我国机械设备行业也得到了极大的发展。压力容器是一种需要承载压力的密闭设备,在我国工业经济发展的过程中发挥着重要的作用。随着工业发展规模的不断扩大,压力容器也逐渐向大型化方面发展,但在其快速发展的今天,仍存有大量质量问题,如裂纹现象。为更好地提升压力容器的质量,本文基于断裂力学理论,对压力容器的各项内容进行了探讨。关键词:断裂力学;压力容器;应用分析doi:10.16640/ki.37-1222/t.2017.06.1881 断裂力学理论分析一般情
2、況下,可由超声探测方式检测裂纹,但仪器无法检测到裂纹扩展早期的情况,长此以往,小裂缝呈现出稳步增长的现象,最后达到许用临界值,产生脆性断裂。工作应力在许用应力以下是计算传统结构强度安全的依据,但具体操作中,往往会出现应力破坏问题,这是情况下与传统强度计算依据存有差异,即存有结构内部缺陷问题。为防止出现此类问题,在分析压力容器缺陷时可依据断裂力学理论进行研究。以研究对象进行划分,线弹性断裂力学、弹塑性断裂学为构成断裂力学理论的主要内容。线弹性断裂力学主要是对大型构件、脆性材料平面应变断裂问题进行处理。其通过弹性力学内的线弹性理论分析裂纹体力学性能,且通过分析获取确定断裂纹扩展规律的相关因素,如应
3、力强度因子等。在裂纹尖端周围具有较小塑性变形区的情况下,通常也会选取断裂力学进行探讨。而弹塑性断裂力学理论与前者存有极大的不同,其主要用于裂缝尖端塑性区尺寸与裂纹尺寸相近或在其之上,因研究对象存有差异性,可具体划分为2类:j积分理论、cod理论。在验证压力容器缺陷时,选用最多的断裂力学理论为cod理论,也就是断裂出现的应力、应变值组合与临界值相符。因构件存有缺陷,只有在其外加载荷低于塑性失稳载荷、或应力强度因子在断裂认读以下时,才能断定其为失效状,进而可将基于塑性失稳和线弹性断裂的2种依据的曲线图导出。在断裂力学理论内,cod理论只能被看做是一个经验方式,如作为一个参量,其不具备直接性、严密性
4、,特别是在计算、分析裂纹尖端张开位移时难度较大,因此,由系统能量守恒方面出发,美国rice教授提出了参量j积分。其不仅能够对裂纹尖端应力变场强度进行全面描述,还能够便于理论分析、计算。j积分具备清晰的理念、严密的理论,并适用于线弹性、弹塑性等环境下的断裂分析,尤其是在弹塑性断裂参量判定中j积分得到了人们的认可,且被广泛应用于实践中。其可对裂纹体起裂现象进行评定,并能够对裂纹体撕裂过程进行分析,是评定撕裂失稳的科学依据。2 断裂力学在压力容器分析中的应用在压力容器运行使用过程中,往往会产生大量质量问题,为此,必须按照现行规程开展在役压力容器安全技术检验,将安全隐患彻底扼杀。针对超标等缺陷问题,如
5、采取传统方式予以消除,呈现出效果不佳、成本高等问题。为此,在安全评定时更多人倾向于采取断裂力学理论,其不仅能够确保设备运行安全,还节省时间,增加经济效益。为更好地了解断裂力学在压力容器分析中的应用,可以某压力容器缺陷为例进行探讨。2.1 设备技术参数某压力容器属于ii类容器,设定1.5mpa为其设计压力,ch3ci为介质,16mnr为材质,1mpa为工作压力,要求在60以下控制其设计温度。2.2 计算缺陷通过x射线进行该压力容器缺陷探测,得出其环焊缝底片存有超标缺陷,共两处分别为102、106。随后选取超声波再次进行检测,结果如图1所示。由此得出,埋藏裂纹为其缺陷。其中,埋藏裂纹到2自由表面的
6、最小距离可通过p1(8mm)、p2(10mm)表示;板厚方向平面缺陷的尺寸最大值则由h(2mm)表示;板宽方向平面缺陷长度最大值可由实际l1(20mm)、l2(15mm)表示。因h小于l1、l2;且0.4h小于p1、p2,可将该缺陷转化为椭圆形埋藏裂纹,由此计算其等效裂纹尺寸,分别为0.99mm、0.97mm。2.3 缺陷的断裂分析(1)计算应力及应变。通过以上论述,计算应力时可在水压试验最危险的情况下进行。因,可依据弹性情况进行计算分析,则对应于的应变公式为:其中,弹性模量可由e表示,其选取2x105mpa。这种情况下,可得出应变。(2)确定材料性能数据。按照相关规范规定,应以实测数据为主,
7、但本压力容器试样难以获取,无法进行实测。此时可参考16mnr系国内类似压力容器用钢数据,可获取实测数据。安全技术分析过程中,选取0.06mm作为最低值,为确保压力容器运行安全,应选取0.06mm的50%进行分析,即选取0.03mm作为裂纹张开位移cod临界值。此时,可通过下式表示材料平面应变断裂韧度。其中泊松比由v表示,且v=0.24,最终获取。(3)脆断评定。第一,根据相关规范要求,进行应力强度因子计算,公式为=311n/mm3/2由此可见,kl/klc=0.177,0.6>0.177,此时属于安全状态。第二,根据相关规范要求,进行允许裂纹尺寸计算,公式为因等效裂纹尺寸最大为0.99mm<10.06mm,因此此缺陷不存有破坏性。第三,确定允许缺陷尺寸。根据相关规范要求,需符合。通过图1可以得出,1mm为值,由此可见,该值与上式相符,可确定。3 结束语综上所述,压力容器在日常运作的过程中需要承载一定的压力,容易出现裂纹等问题。因此要定期对压力容器进行质量检测,及时发现压力容器存在的质量问题,减少安全隐患,保证人民群众的生命财产安全。但是由于压力容器的特殊性能,在检测过程中应严格遵循断裂力学相关
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