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/j.cnki.37-1222/t.2017.06.188

1 断裂力学理论分析

一般情況下，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，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，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理论，要求在不损害压力容器使用性能的情况下，对压力容器的质量进行检测。且根据压力容器的具体情况选取合适的方法进行检测。

参考文献：

[1]王欧兰，严伟.低温压力容器设计中关键问题的探究[J].科技资讯，2014（14）：221.