含凹坑缺陷的推进剂储存容器安全性评价*

2020-05-25刘宗虎王富强

化工科技 2020年2期

刘宗虎，王富强

(西安航天动力试验技术研究所，陕西西安 710100)

推进剂贮存容器存放的介质(偏二甲肼)具有剧毒、腐蚀、易燃等特点，一旦泄漏，会给人员、装备造成重大损失，使用时必须经常进行气密性检测与安全性评估[1-3]。从实验和长期使用现场数据来看，设备在制造、安装过程中，由于操作不当，一些因素，如裂纹(表面裂纹、内埋裂纹和半露头裂纹)、变形等严重影响其安全使用。胡宽等[4]考虑到贮存容器材料性能、受力、强度和裂纹初始尺寸等参数的随机性，建立了推进剂贮存容器概率安全评定寿命预测模型，研究表明比确定性的标准评定更为合理。袁杰红等[5]通过对推进剂贮箱结构的合理简化，将线弹簧模型应用于未穿透裂纹应力强度因子的求解，不仅能求解表面裂纹问题，还能求解内埋裂纹和半露头裂纹问题，该方法与传统的数值方法比较，大大减少了编程和计算量，更加适合于工程实际应用。众多学者从裂纹角度对推进剂储存容器进行了安全性分析，而实际中由于吊装或搬运过程中容器的变形也成为不容易发觉的潜在安全隐患，容易被忽视。因此，作者利用ANSYS有限元分析软件对西安航天推进技术研究所试验基地的含有凹坑缺陷的推进剂贮存容器进行安全性分析，并对壳体中的等效应力进行研究，进一步为推进剂贮存容器的安全使用提供理论指导。

1 储存容器性能参数

推进剂储存容器为圆柱型储罐，在运输安装过程中，由于外力作用，在筒体接近封头位置出现变形，形成凹坑，凹坑缺陷直径D≈600 mm，凹坑缺陷深度h=50 mm，推进剂储存容器材料为不锈钢0Cr18Ni9Ti，其他主要参数见表1。

表1 推进剂储存容器基本参数

2 有限元模型建立

采用ANSYS Workbench14.5进行建模，在承受压力时，其缺陷附近出现应力集中现象，导致该区域有出现最先被破坏的趋势，所以在进行模拟分析时一般都是选取包含缺陷区域容器的一部分进行研究，课题在模拟中选取缺陷形状为球形模型。查阅相关文献，为了消除边界效应，根据圣维南原理[6-7]，有限元模型的长度取容器直径的3～5倍，在进行有限元模拟分析时选取储存容器模型的 1/2进行模拟分析研究。为了对比分析，建立了不含和含有凹坑缺陷时的储存容器模型，见图1和图2。

图1 不含凹坑模型

图2 含有凹坑模型

选择三维八节点六面体SOLID45单元模型进行网格划分，缺陷处会出现应力集中现象，分析的重点应该在缺陷及周边处，该区域加大网格划分密度，提高有限元分析的准确性[8]。

由于推进剂储存容器均为圆柱形，因此容器完全对称，边界条件选择时，一端进行轴向位移约束，纵向对称两界面施加对称约束，容器另一端界面施加载荷约束，实际容器所受的载荷主要为内压和弯矩，其他载荷对管道影响很小，可以忽略，在分析中只考虑0.2 MPa内压作用。

失效判定应该依照失效准则进行判定，而失效模式很大程度上决定了失效准则的选择。对储存类容器的失效模式，大多认为是局部塑形失效，也就是说在缺陷区域内，若有任一点达到管道的屈服强度，管道就意味着失效。容器是否失效可参照塑性失效准则，腐蚀缺陷区的最小等效应力应按第四强度理论确定极限压力，见公式(1)[9]。

≤[σ]

(1)

式中：σ1、σ2、σ3为三方向的主应力，MPa；σvmes为等效应力，MPa；[σ]为材料的许用应力，MPa。

3 储存容器有限元分析

3.1 不含凹坑缺陷压力容器有限元分析

对不含凹坑压力容器进行有限元分析，用来对比凹坑及补强的结果。容器外壁的应力云图见图3。

图3 不含凹坑储存容器分析结果

由图3可知，容器壁面上应力分布较为均匀，容器筒体的等效应力最大为27.3 MPa，由于该应力远小于材料的许用应力102.5 MPa，说明在没有缺陷时，容器本身能够满足强度的安全性要求，该容器在出厂时无强度安全问题。

3.2 含凹坑缺陷储存容器有限元分析

储存容器存在凹坑缺陷会影响其应力分布的均匀性，造成应力集中，应力在缺陷位置会出现急剧增大现象，给容器的使用带来安全隐患[10]。通过建立具有球形凹坑缺陷的容器模型，进行力学分析，确定应力集中位置及最大等效应力，研究凹坑缺陷直径和深度2个参数对容器应力集中的影响程度，分析了其随直径和深度的变化趋势，为后续的安全评定工作提供依据。

3.2.1 不同直径下等效应力分析

假设凹坑缺陷深度h=50 mm固定不变时，当凹坑缺陷直径D=400、500、600、700、800及900 mm时，对模型进行等效应力计算，应力云图见图4，最大等效应力随凹坑缺陷直径的变化趋势见图5。

a D=400 mm

b D=500 mm

c D=600 mm

d D=700 mm

e D=800 mm

f D=900 mm图4 不同直径下应力云图

由图4可知，最大等效应力均出现在容器外壁凹坑顶点处，最大应力值均大于不含凹坑容器壁面的等效应力，说明在凹坑缺陷部位出现了应力集中现象。

D/mm图5 最大等效应力随凹坑缺陷直径的变化趋势图

由图5可知，最大等效应力随着凹坑缺陷直径的增加而增大，该值基本与凹坑缺陷直径成正比关系。当凹坑缺陷直径从500 mm增加到600 mm时，等效应力值基本无变化，可能是由于在该条件下，凹坑缺陷深度对等效应力起到限制作用。

3.2.2 不同深度下等效应力分析

假设凹坑缺陷直径固定不变为D=600 mm，分别分析凹坑缺陷深度h=50、60、70、80、90、100及110 mm时的受力情况，由于h=50 mm、D=600 mm已经分析过，故只需要对h=60～110 mm分析即可，结果见图6。

a h=60 mm

b h=70 mm

c h=80 mm

d h=90 mm

f h=110 mm图6 不同深度下应力云图

由图6可知，随着凹坑缺陷深度的增加，最大等效应力逐渐增大，当凹坑缺陷深度为110 mm时，等效应力可达到80.4 MPa，接近材料的许用应力。

容器等效应力随凹坑缺陷深度变化趋势见图7。

h/mm图7 最大等效应力随凹坑缺陷深度的变化趋势

由图7可知，最大等效应力与凹坑缺陷成正比关系，且变化趋势较为明显，当凹坑缺陷深度从70 mm增加到80 mm时，等效应力基本不发生变化。在该条件下，该位置处可能发生了塑性变形，材料出现硬化强化作用，承载能力会进一步增强[11-12]。

通过对比图5与图7可知，最大等效应力随凹坑缺陷深度增加变化较快，凹坑缺陷深度从50 mm增加到110 mm，最大应力从55 MPa增长到80 MPa，而随凹坑缺陷直径变化较为平缓，因此凹坑缺陷深度对最大等效应力的影响大于凹坑缺陷直径的影响。同等条件下，凹坑缺陷深度的改变容易引起容器局部产生更大的集中应力，对容器的安全性和可靠性影响更大。

3.3 补强措施及补强效果

由上述分析可得，当容器表面不含凹坑时，容器所受应力均匀分布，均值约为26.5 MPa(见图3)；当容器表面含有凹坑(D=600 mm，h=50 mm)时，在凹坑附近形成应力集中，最大应力为σ=55.24 MPa(见图4c)。该等效应力值远小于容器材料的许用应力[σ]=102.5 MPa，可以保证容器的安全性。由于容器储存介质的特殊性，推进剂加注事关国家安全问题，应杜绝容器存在的一切不安全因素。因此，对凹坑部位进行补强，补强钢板与容器本体材料一致为0Cr18Ni9Ti，补强钢板尺寸为100 mm×100 mm，厚度δ=10 mm，对该补强后模型进行受力分析后，应力云图见图8，位移云图见图9。