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高压灭火剂储瓶的断裂强度分析

转载至88消防网      作者 孙卫东 路景志(江苏省消防局)(南京理工大学)
摘 要
:本文用断裂力学理论对高压灭火剂储瓶进行了断裂强度分析。着重介绍了高压灭火剂储瓶的应力强度因子的计算方法、设计准则及破坏机理,并通过计算举例说明高压灭火剂储瓶断裂强度设计的方法。
  关键词:断裂力学 断裂韧性 应力强度因子 低应力脆断
概 述
  高压灭火剂储瓶是固定灭火系统的重要组成部分,属于特种高压容器范围。其本身的结构强度将直接影响到灭火系统的使用性能和用户的人身**。
  随着科学技术的进步和工业化生产的发展,各种承压设备不断向大型化、高性能化发展,同时,随着高强度钢和超高强度钢的广泛采用,高压容器的承压能力也越来越高。然而,与之相伴而来不断发生的,一系列常规强度理论无法解释的低应力脆断事故,让人费解。
  从1943~1947年美国5000艘全焊接“自由轮”系列中发生了1000次脆性破坏事故;,1950年美国北极星导弹发动机壳体在试验时突然发生爆炸,材料的强度和韧性指标均符合常规设计标准,爆炸时的应力远低于许用应力;1965年美国的固体火箭发动机再次发生低应力脆断;1965年英国JohnThompson公司大型合成氨塔试验时发生爆炸;1966年英国Cokenzie大型电站压力容器发生爆炸;近年来国内外多起高压灭火剂储瓶发生爆炸,其爆炸时的应力都远低于材料的设计许用应力。
  经过大量的研究发现,产生这种低应力脆断的根本原因,是由于结构材料内部(或表面)存在裂纹(或类裂纹)造成的。在对裂纹体进行研究的过程中产生了一门新的学科—-断裂力学。断裂力学理论,是用来研究和解决工程中的低应力脆断问题的科学。
2 材料的强度与断裂韧性
  断裂力学与经典材料力学的根本区别就在于,经典的材料力学是研究无缺陷连续均质材料的强度问题,而断裂力学则是专门研究带有裂纹材料的破坏问题。断裂力学是运用弹性力学和塑性力学理论,研究裂纹体强度和裂纹扩展规律的一门科学。断裂力学理论认为,在材料的冶炼和加工制造过程中,均不同程度地存在着不可避免的内部裂纹或表面裂纹(如钢材冶炼和构件焊接过程中的夹杂、脱焊、咬边及机械加工过程中的拉伤、划痕等)。材料发生断裂是由于裂纹在应力作用下不断扩张而造成的。
  描述材料的断裂韧性,通常用应力强度因子K1来表示。根据弹性力学理论,材料的裂纹尖端附近任意一点的应力分量为:
  从上面方程组可以看出,各应力分量中均有一个共同的因子,它表示裂纹在名义应力作用下处于弹性平衡状态时,裂纹尖端附近应力场的强弱。裂纹尖端附近各点的应力,不仅与名义应力有关,而且由于裂纹的存在被大大提高了。因此,用K1作为表示裂纹尖端附近应力场强弱的因子,简称应力强度因子。一般情况下
        
     
  当一个有裂纹的构件上的作用力逐渐加大,裂纹逐渐扩张,裂纹尖端的应力强度因子K1也随之增大,当达到某一临界值K1C时,构件中的裂纹突然失稳扩张,造成构件断裂。把这个临界应力强度因子K1C,称为材料的断裂韧性。这是一个描述材料机械性能的物理量,它与构件的受力状态和裂纹尺寸无关。各种材料的断裂韧性K1C的值,都是通过标准试样实验测得的。常用材料的断裂韧性K1C可以从材料手册上查得。
       
  大量的事实证明,不考虑材料的断裂韧性,只追求其强度高,结果使得压力容器在应力远低于材料屈服极限(通常不到的一半)的情况下就发生断裂。这主要是由于随着材料的强度提高,断裂韧性显著下降的结果。实验证明,材料的强度越高,对裂纹的敏感性越大,即断裂韧性越差。如图1所示。 
  
 
  图1中的曲线是根据目前部分材料的强度和断裂韧性数值作成的。显然,当材料的屈服强度大于100(公斤/毫米2)时,其断裂韧性急剧下降。这也是高强度压力容器易发生低应力脆断的主要原因。
 
              图2      钢材的比韧度
 
  鉴于上述原因,目前有人认为用比韧度(即)来作为高强度压力容器材料选择准则比较**。认为这样既考虑了材料的强度又考虑了材料的断裂韧性。图2是国外某科研单位将钢材各种强度级别断裂韧性的上下限绘成三条曲线。用,三条称为比韧度的直线,将图划分为三个区(四块)。
 
(1)当所选的材料位于比韧度线 以上时,构件的破坏是塑性破坏。这个区域的材料具有较高的断裂韧性,构件的破坏只能是由于强度不够而破坏。即使材料内部有裂纹,只要把裂纹面积减去,按普通材料力学计算即可。这时材料内部的裂纹不会因受力而扩张,这个区域内的材料不会发生低应力脆断。
(2)当所选材料位于比韧度线以下区域内,这时材料的强度高韧性低。其允许的裂纹临界尺寸较小,这种情况下出现的断裂多数是弹性断裂(即低应力脆断)。一般来讲,这个区域内的材料多适用于薄壁构件,如薄壁炮管、航空发动机、火箭燃烧室等。这类零件所用材料的比韧度都在 附近,而且通常壁厚都小于5毫米。
 
  蕞近中国科学院金属研究所研究结果认为,在考虑使用比韧度的同时把构件的壁厚考虑进去,即  作为材料的韧性判据比较好。其中分别为构件材料的断裂韧性和屈服极限,B为构件的壁厚。按照 判据的要求,保证压力容器不发生低应力脆断的条件是:
 
   
(3)当所选的材料位于两条比韧度之间的区域内(即 )直线两侧,就要作具体的分析。因为材料的比韧度越大,说明裂纹扩展需要的变形功越大,在同样的应力作用下,裂纹不容易扩展,构件不易断裂。反之,材料的比韧度越小,裂纹扩展需要的变形功也越小,即裂纹容易扩展,当裂纹扩展到某一尺寸时,构件发生断裂。通常把这个裂纹尺寸称为临界尺寸。(如Irwin用公式 来计算平面椭圆裂纹的临界尺寸)。如果在对构件进行探伤时,发现材料内部裂纹的尺寸小于临界裂纹尺寸,则尽管材料有内部缺陷,但仍能保证使用。
 
3   压力容器断裂强度判定准则
 
    目前在工程设计的过程中,根据结构材料的不同,形成了以下几种断裂判定准则。
(1)线弹性断裂准则-----K准则
 
对于载荷作用下的含裂纹构件,当其应力强度因子K1达到材料断裂韧性K1C时,材料发生断裂。
即                                K1=K1C
 
K1的通用表达式为;    
       其中   a---- 裂纹深度(毫米)
                Y----裂纹形状系数
                   ----当地应力(公斤/毫米2
(2)弹塑性断裂准则
a  COD准则
 COD准则是以弹塑性理论为基础的,此准则比较**、应用广泛的断裂判定准则。目前各国已经形成多种设计规范和测试标准,使COD方法在工程上得到普遍应用,有效地控制了断裂事故的发生。我国的CVDA---1984《压力容器缺陷评定规范》中给出的判定公式为:    
         
    
   式中         e----屈服区中的名义应变
                  es----材料的屈服应变
b  J积分准则
这是一个从能量出发的才准则。准则认为当J积分值达到某一临界值J1C时,材料发生断裂。
即           J=J1C
C  通用失效评定曲线
英国中央电力局(CEGB)1986年推出了新R6标准通用失效评定图。2001年,英国、德国和瑞典等国完成了“欧洲工业结构完整性评定方法”(SINTAP)。代号为BS7910:1999。被称为欧洲蕞新评定方法。(参见图3)
 
              
 
 
                                      图4  储瓶内壁表面纵向裂纹
对于内表面细裂纹一般是指>10的裂纹。根据有关文献推导得:
 
  式中  p----灭火剂气体的压力(公斤/毫米2
           a----裂纹深度(毫米)
           re 、ri----储瓶的外径、内径(毫米)
           w=re-ri------储瓶的壁厚(毫米)
           F(a/w,re/ri)----修正系数(见下表)
re/ri
a/w
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.5
0.0
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.1
1.06
 
0.99
0.96
0.93
0.91
0.88
0.2
1.22
 
1.03
0.98
0.94
0.88
0.84
0.3
1.48
1.15
1.14
1.03
0.96
0.89
0.83
0.4
1.88
1.40
1.27
1.11
1.00
0.91
0.84
0.5
2.52
1.66
1.42
1.20
1.05
0.94
0.86
0.6
3.59
1.90
1.56
1.28
1.11
0.99
0.86
0.7
5.66
 
1.70
1.39
1.19
1.06
0.97
0.8
9.36
 
1.83
1.51
1.31
1.18
1.08
0.9
31.0
 
2.09
1.75
1.56
1.42
1.32
 
其中 re/ri=1的值是借用了单边裂纹的值。
对于表面半椭圆裂纹,其应力强度因子公式为:
 
  其中   
  由于椭圆积分不能直接用初等函数积分得到,只能展开成台劳阶数逐项积分,求得近似解。虽然可行但很麻烦。通常用Irwin进行了一系列修正后得到的公式:
 
 其中          
    σ----裂纹尖端处的应力值(当地应力)
    σ2----材料的屈服极限
    a----裂纹的深度
           c----裂纹长度的一半
 Q值一般叫作形状校正因子。实际上Q的值不仅考虑了裂纹形状的影响,同时也考虑了塑性区大小的因素的影响。(见下表)
Q σ/σs
a/2c
0.10
0.20
0.25
0.30
0.40
1.0
0.88
1.07
1.21
1.33
1.76
0.9
0.91
1.12
1.24
1.41
1.79
0.8
0.95
1.15
1.27
1.45
1.83
0.7
0.98
1.17
1.31
1.48
1.87
0.6
1.02
1.22
1.35
1.52
1.90
<0.6
1.10
1.29
1.43
1.60
1.98
  对构件进行断裂强度计算通常有以下几种情况:(1)已知构件的裂纹尺寸和材料的断裂韧性K1C,求构件的断裂强度储备;(2)已知构件的裂纹尺寸和材料的断裂韧性K1C,求构件的临界断裂载荷σc;(3)已知构件的尺寸和材料的断裂韧性K1C,求构件的临界裂纹尺寸ac
 
5  高压灭火剂储瓶发生低应力脆断原因的分析
高压灭火剂储瓶发生低应力脆断的原因比较复杂。综合起来主要有以下几个方面。
(1)设计和加工过程缺乏合理性。高压灭火剂储瓶设计时,除按照经典的材料力学进行强度计算外,还应用断裂理论对产品进行断裂强度校核,有条件还应当用CVDA—1984《压力容器缺陷评定规范》中给出的公式进行断裂**判定计算。同时在选择材料方面一定要正确、合理。正确选择材料是保证压力容器结构优化的关键和**运行的根本保证。一旦选材不当,可能导致设备在低应力下发生脆断。目前在GB150等国家标准及有效的行业标准、国外标准中,尽可能选用成熟的、有类似使用经验的材料。并在加工制造前对材料进行化学分析、力学性能、金相组织等复检。若要采用新型材料,必须格外慎重。在产品加工过程中,必须注意不同批次材料成分和机械性能的变化;严格控制加工质量,特别要避免工件出现夹杂、划痕、拉伤及未焊透性等。对加工成型的储瓶,要100%地进行探伤检验。
(2)疲劳断裂。高压灭火剂储瓶由于使用环境千差万别,工作条件比较恶劣,使灭火剂储瓶长期处于低周疲劳环境中工作。储瓶内灭火剂气体的压力,随着温度变化而周期性地升高和降低,这种周期性的变化加大了裂纹的扩展速率,形成了材料的疲劳断裂。金属材料疲劳断裂的过程,可以分为形核和裂纹扩张两个阶段。形核过程是由于金属表面在交变应力作用下,表面产生晶粒滑移带,形成局部高应力区。在滑移带两平行滑移平面之间形成的空洞棱角处或晶粒界面处,形成断裂裂纹核。在循环载荷(如温度或压力的周期变化)的作用下,裂纹沿晶界面逐渐扩大,当达到材料的断裂极限的瞬间,突然断裂。
(3)腐蚀断裂。腐蚀是导致高压灭火剂储瓶发生断裂的重要原因之一。腐蚀断裂是指压力容器金属材料受到腐蚀介质的作用而发生破坏。腐蚀的形式很多,有均匀腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。导致腐蚀断裂及与之相关的原因主要有:①设计结构不合理,局部应力集中;②材料选择不当;③制造工艺失控;④未考虑介质中的微量杂质对材料腐蚀性能的影响;⑤加工操作不当,造成表面腐蚀源的产生等。
近年来,国内外先后发生的盛装一氧化碳、二氧化碳混合气体储瓶爆炸事故,多数是由应力腐蚀而导致的容器腐蚀断裂。经过大量的试验证明,这种含有二氧化碳成分的混合气体,只有在有水分的情况下,才能对钢材产生严重的应力腐蚀。如果在充装灭火剂气体之前,由于各种原因(如清洗瓶内污物时的残余水汲或因气温变化在储瓶内壁形成的露状水等),造成含有二氧化碳成分的混合气体灭火剂含有水分,就能导致储瓶在应力腐蚀作用下发生爆裂。
总之,高压灭火剂储瓶发生断裂破坏的原因是多种多样的,而且通常不是某种单一原因造成的,应当综合分析考虑。
 
 
参考文献:
1北京钢铁学院《工程断裂力学》 国防工业出版社
2范天佑《断裂力学基础》江苏科技出版社
3《应力强度因子手册》科学技术出版社
4《压力容器**监察与管理》化学工业出版社
5路景志《固体火箭燃烧室断裂强度计算》兵工学报 1984.第四期