压力容器接管的断裂分析及其工程应用

第1 3卷 第5期 2 0 0 5年1 0月 安 徽建筑工业学院学报( 自 然 科 学 版) J o u r n a l o fA n h u i I n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r e 压力容器接管; 设计曲线 中图分类号:O 3 4 6. 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6 - 4 5 4 0(2 0 0 5)0 5 - 0 0 1 - 0 4 F a r c t u r e a n a l y s i s o fp r e s s u r e v e s s l en o z z e l s a n d i t s a p p l i c a t i o no f e n g i n e e r i n g Z HOUD a o - x i a n g (I n s t i t u t eo fC o l l e g eE d u c a t i o n,A n h u i I n s t i t u t eo fA r c h i t e c t u r ep r e s s u r ev e s s e ln o z z l e;d e s i g nc u r v e 接管等高应变区的断裂问题是压力容器失效 分析研究中最复杂、 棘手的问题之一, 各国研究者 都给予很大的关注。 1 9 6 3年,W e l l s提出了用带小裂纹的宽板试 样以获得高应变区, 借助宽板实验得到了裂纹尖 端张开位位移(C O D) 和裂纹长度以及施加应变 之间关系的经验公式, 为建立在一定程度上描述 临界状态下C O D与应变之间的关系的C O D设 计曲线提供了实验基础( 见图1) 。 =2 e a ( 1) 随后,B a r d e k i n对W e l l s公式进行了修正 =2 eya( e ey -0 . 2 5)(2) 图1 设计曲线 但是, 宽板实验也带来一系列无法克服的困 难, 宽板韧带的屈服会干扰裂纹的张开量, 要使裂 纹尖端处于范围足够大的屈服区内, 就必须加大 宽板尺寸, 这就要求提高实验机的吨位, 增加了实 验成本。无法借助这种实验模型测定高应变区内 裂纹疲劳扩展速率。此外, 宽板实验的实验结果 表明在较高的应变下C O D变化趋缓甚至出现 C O D“ 冻结” 的现象。 从根本上说, 宽板实验无法模拟压力容器高 应变区的三大特征: 局部高峰值应变, 高应变梯度 和周围受广大弹性区包围( 约束) , 而宽板的应力 应变场( 在无裂纹时) 是均匀的, 这与压力容器接 管区的高应变梯度场有很大的差异, 仅靠宽板实 验很难达到预期的目的。 如何才能更好地模拟压力容器接管局部的高 应变梯度场是人们着力研究的问题。B a r d e k i n 提出了带接管宽板试样, 美国E P R I采用中心圆 孔单边裂纹两向受力的二维平板模型的弹塑性有 限元J积分解, 但两种模型的应力场均与接管处 的应力场存在较大差异, 无法模拟接管区既具有 高应变, 又受广大的弹性区约束这一重要特征。 合肥通用所李泽震针对以上试板的缺点, 提 出了中间圆孔带有边裂纹的两侧加筋的异型板 ( 见图2) 和单边加筋的紧凑拉伸异型板模型。这 几种试板较好的解决了模拟接管附近应力-应变 场应变峰值高、 应变梯度大和弹性约束强的三个 特征。以小板代替大板, 使得研究高应变梯度场 的裂纹的扩展规律及疲劳破坏特征成为可能。 图2 加筋异型板 1 加筋异型板的实验研究 1. 1 加筋异型板的应力应变场 对于能否用异型板模拟压力容器接管处的应 力应变场, 在异型板的设上坐过多种尝试, 并对各 种试板用有限元法、 光弹分析及电测多种手段进 行应力应变场的测定。 李泽震等 1,2用电测法测定了异型板孔附近的 应力应变场, 并与接管实验结果作了比较( 见图 3) , 其分布规律基本相同。实验表明, 可以通过调 整孔径大小、 筋板尺寸、 载荷大小改变孔边应力应 变场的峰值应变、 应变梯度及应变集中的范围。 图3 异型板的应力分布 A n z h o n gL i u等 3借助光弹性实验方法得到 加筋异型板在对称截面上的应力分布并和相应的 接管实验测定结果加以比较( 见图4) , 表明用加 筋异型板模拟接管的应变分布是可行的。 图4 光弹法测定的异型板应力分布 1. 2 异型板孔边裂纹应力强度因子 文献 3 介绍了在光弹实验中用双参数法用 测定的应力强度因子数据, 给出了应力强度因子 与裂纹长度间的关系。把实验测定的结果和国内 外在厚平板孔边角裂纹模型、 平板接管模型等多 种模型的试验和计算结果作了比较( 见图5) , 得 出的结果也令人满意。如果采用裂纹尖端当地应 力计算应力强度因子所得到曲线是一条上限曲 线, 如果用远场的平均应力则得到一条下限曲线, 所得到的7组实验数据基本介于两条曲线之间。 由于裂纹处于高应力梯度区, 随着裂纹的扩展使 得裂纹尖端的当地应力迅速下降, 应力强度因子 也有下降的趋势, 这一点在实验结果中反映的较 为明显。 图5 应力强度因子与裂纹长度间的关系 2 安徽建筑工业学院学报( 自然科学版) 第1 3卷 文献 3 得出了描述应力强度因子和裂纹长 度间关系的经验公式 K1= Y a 式中,K1为应力强度因子; 为平均应力;a为裂 纹长度; Y为形状因子, 可由下式计算 Y=8 . 0-1 . 7 7(a/R)-2 . 9 0(a/R) 2-2 . 0 0( a/R) 3 注意到压力使容器材料超过屈服极限后由于 应变硬化作用材料仍然会处于弹性阶段工作, 这 一实验结果还是很有意义的。 任伟、 张康达等对具有高应力集中的带中心 椭圆孔边穿透裂纹的宽板也进行了实验研究, 得 到的应力强度因子实验数据反映出相同的趋势。 2 异型板的S C T试样C O D 与应变 间的标定曲线 1 9 8 8年李泽震对带加强筋的异型板作了进 一步的改进, 设计了异型紧凑拉伸试样(S C T) 。 试样形状及尺寸如图6所示, 它是在标准C T试 样的基础上中间部分减薄, 在中间加工出一个孔 径为贯穿孔。 图6 S C T试样及尺寸 2. 1 S C T试样的应力场 唐仲达 4和周美芹5分别用大型结构分析软 件S u p e rS A P 9 1分析了S C T试样的应力应变场。 模型的单元划分及计算的z向应力( 垂直与裂纹 面) 等值线如图7所示。 图7 试样单元划分与应力云图 研究结果证明, 通过调整试样的加强筋的宽 度与厚度、 圆孔的直径和载荷的大小得到不同的 峰值应变、 高应变区的宽度以及应变梯度。周美 芹给出了峰值应变大小与载荷见的关系图8。文 献 5 还把不同尺寸的S C T试样分成系列进行计 算, 给出了应变梯度、 高应变区宽度与圆孔半径R 间的关系, 得出半径R是影响峰值应变、 高应变 区的宽度以及应变梯度关键参数的结论。 图8 板横轴上纵向应变 文献 5 把S C T试板的应变分布与压力容器 接管的应变分布作了比较( 见图9) , 可以通过调 整S C T试样的尺寸参数模拟实际接管的应变场, 由图8中可以看出, S C T试板的应变分布与容器 接管静压实验的实测结果符合良好。 图9 试样与接管应变的比较 2. 2 S C T试样的C O D设计曲线的标定 李泽震用S C T试样的实验结果对C O D设计 曲线进行了标定, 把无量纲的裂纹尖端张开位移 与无量纲塑性应变值绘在 2 a ey e ey 坐标系中( 见 图1 0) 。由图1 0可以看出, 不仅实验数据分布不 再出现应变与C O D值不同步增加的情况, 而且 3 第5期 周道祥: 压力容器接管的断裂分析及其工程应用 其上限值有所降低, 国外现行的设计曲线斜率仍 有下降的余地。这一结果为我国修订压力容器设 计曲线提供了实验依据。 图1 0 S C T试样标定设计曲线 2. 3 用S C T实验测定疲劳裂纹扩展速率 周美芹与高增樑 6在测定 S C T试样的疲劳 裂纹扩展速率方面作了大量的数值计算和实验分 析, 证明用S C T试样测定高应变区中的疲劳裂纹 扩展速率是可行的。 他们以1 6 M n R材料制成预制疲劳裂纹的 S C T试样, 就不同圆孔直径的裂纹进行了一系列 的疲劳实验, 实验数据标在d a dN y 的坐标系 中, 如图1 1所示。 图1 1 S C T试样的疲劳裂纹实验数据 图1 1中的结果完全符合P a r i s给出的疲劳 裂纹扩展规律。其实验结果回归曲线方程 da dN =2. 8 2 8 81 0 - 8( y ) 3. 2 1 4 5 同一材料相同尺寸的常规C T试样的扩展速 率方程为 da dN =3. 3 21 0 - 5( y ) 2. 0 5 9 从实验数据看,S C T试样与常规C T试样相 比, 其疲劳裂纹扩展速度要快得多。 3 结束语 S C T试样的应力应变场与压力容器接管高 应变区的非常相似, 具备了高峰值应变、 高应变梯 度、 高弹性约束的三大主要特征, 可以用S C T试 样模拟接管区的应力应变场。 由于高应变梯度区的存在, 在S C T试样的最 大应变水平与宽板上的相同的情况下。其C O D 远低于宽板的实测值, 也与国内外现行规范中的 估算值相差较大, 而与文献 4 的提出的曲线较为 符合。 由于S C l试样加工简单、 尺寸小, 所需的载荷 较小, 用它模拟接管高应变区应力应变场并借以 测定高应变区的疲劳裂纹扩展规律是较为有效的 方法。 参考文献 1 李泽震. 应变梯度异型板实验研究M.北京: 劳动人 事出版社, 1 9 8 7:4 3-5 0. 2 魏安安. 在役压力容器接管高应变区安全评估技术研 究R.合肥: 合肥通用机械研究所,1 9 9 5. 3 L i uA n z h o n g,Z h o uD a o x i a n g . P h o t o-e l a s t i cA n a l y - s i so f t h es i m u l a t e dP l a t e sf o rt h eV e s s e lN o z z l eC. E n v i r o n m e n tE f f e c t so nF r a c t u r ea n dD a m a g e . H a n g - z h o u:Z h e j i a n gU n