钢制压力容器内壁喷丸工艺对浅表微裂纹影响有限元分析

目前国内外钢制无缝压力容器普遍采用大口径无缝钢管两端经锻造或旋压收口的成型工艺，收口形式是带颈球型封头，进行整体的正火或淬火+回火(调质)热处理工艺后，内表面进行喷丸处理后喷漆，烘干。该类容器破坏形式有脆性，韧性破坏，介质腐蚀破坏等。疲劳损伤区别于其他损伤模式，由于其不易发现，引发事故突然，因此潜在危害性极大，压力容器的疲劳损伤是由于压力容器使用过程中频繁的升压降压，内壁经过长期的交变载荷作用下，金属材料产生疲劳裂纹扩展，外观未发生明显变形下的突然断裂的损伤模式。当循环加载力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳，压力容器的疲劳属于高应力低周疲劳。假设压力容器由于加工等原因存在表面型微小裂纹，为阻碍裂纹扩展断裂，其中气瓶内壁进行喷丸强化是行之有效，应用广泛的强化手段。喷丸的同时改变了内壁由于热处理产生的残余应力的状态和分布，而喷丸产生的残余压应力又是提高疲劳抗力的重要因素。现阶段国内外学者对喷丸强化工艺的原理及影响因素等有一定研究，文献川研究了不同的弹丸速度、弹丸直径、弹丸喷射角度对残余应力场分布和表面变形的影响，并且研究了不同的喷丸覆盖率对残余应力场分布和粗糙度的影响。文献②研究了大弹丸2024铝板弹丸直径和喷丸覆盖率对板材塑性应变及沿弹坑表面及厚度方向残余应力的影响，对压力容器疲劳裂纹扩展也有诸多相关的研究；文献国采取数值计算与模拟相结合的研究方法，对压力容器受力情况及使用寿命进行分析；对不同初始形貌的表面裂纹扩展形貌进行模拟；对在相同载荷下不同温度下的裂纹扩展速率进行估算。文献国研究了16MnDR材料试件中I+Ⅱ复合型裂纹的扩展，并以此为基础模拟了I+Ⅱ复合型裂纹在薄壁压力容器中的扩展路径。综上，现有的研究主要集中在对强化后喷丸工艺参数对板材塑性应变及残余应力的影响，而应力强度因子作为表征外力作用下弹性物体裂纹尖端附近应力场强度的一个参量I

对于材料疲劳扩展断裂的描述更加直观，尤其是残余应力场单独作用下产生的应力强度因子KI2可以由Franc3d

软件

直接计算获取，由此可获取喷丸工艺参数对KI2的影响，先前没有此类研究，a-N

研究方法对于疲劳研究属于经典研究方法，使得喷丸参数的延缓疲劳程度更加直观。诸多学者

使用的弹丸碰撞模型有很多，文中将弹丸复杂的喷射过程简化为均匀碰撞，采用文献的7弹丸模型计算总结出喷丸工

艺参数“弹流速度”“弹流角度”“喷丸方向”对

KI2

的影响规律，并汇总出不同喷丸工艺参数下的初始扩展阶段

a-N曲线，更直观的反应出不同参数对抗疲劳程度的影响。一、有限元模型的建立1.压力容器实际工况模拟钢制无缝压力容器采用材料为316L

钢，常温工作环境为弹性模量为195GPa,泊松比0.3,壁厚5mm,载荷条件为内壁承受10MPa

均匀内压力，计算出的整体受力情况。由于壁厚S

与回转体容器内直径D,

的比值S/D;<0.1,

即属于薄壁回转壳体，又因为薄壳的弯曲应力很小可忽略不计，工程上常采用无矩理论(薄膜理论)薄膜一样，只承受拉应力和压应力，由于符合材料均匀性各向同性，以及几何方面，材料，载荷，支撑方面的轴对称及连续性条件，又无横向剪力和弯矩及自由支撑等。综上，薄膜理论适用，容器侧壁任一点处均只存在环向应力σ₀和径向应力σz。由于裂纹的尺寸远小于结构的曲率半径，为提高计算效率，将整体模型简化为经喷丸强化的容器薄壁块，受X,Y方向均匀拉应力的作用。2.含表面微小裂纹的未经喷丸压力容器相关参数计算分别以14561节点位置处(中心节点位置)为裂纹中心，预制分别与Y轴呈0,30,45,60,90°的半径0.3mm的表面半圆型裂纹，并做扩展分析，这里运用Paris准则da/dn=C(△K)”,取常温下应力比0.1时的材料常数C=3.934e-9,m=2.5l³。图17弹丸喷丸模型如图1所示为喷丸模型，根据仿真结果发现纵向裂纹扩展时，裂纹启裂阶段主导裂纹扩展的拉应力值远大于其他角度，最大处达到179.11MPa,Kπ,Km几乎为0。通过仿真所得a-N曲线，可知经过9次循环，裂纹扩展就达到了0.373mm。其余角度裂纹也扩展同样分析步长和步数，发现循环次数均大于轴向裂纹次数，可见此类压力容器疲劳问题纵向裂纹危险性更大，文中接下来重点说明喷丸参数对纵向裂纹的影响。3.喷丸模型由于薄膜理论适用，取长宽为8mm,厚度为5mm受四周均匀拉应力的微小平板区域作为喷丸强化研究对象，弹丸密度为8.03E-009tonne/mm³,弹性模量240GPa,赋予316L材料属性，设置塑性条件。为提高计算效率细化上边发生塑性变形部分网格，弹丸与平板单元均选用C3D8R,

对四周和底边分别进行沿X,Y,Z三个方向对称约束，定义每个弹丸与平板区域接触，接触属性定义为‘硬接触(hard

contact)’

为研究喷丸工艺参数对裂纹扩展的影响，取弹丸直径取1.5mm。弹丸速度方向与喷丸区域成0,30,45,

60,90°,弹丸速度分别取10~50m/s,相互间隔10m/s的五个速度值。首先用显示动力学(Dynamic,Explicit)分析步，时间均设为0.5ms,由于喷丸过程相当于一个冲压回弹过程，还需考虑回弹阶段后才为最终阶段，即需将第一阶段显示动力学导入到静力学分析步作为初始应力条件，所得结果作为后续导入Franc3d软件的残余应力条件，并最终通过软件求得相同中心裂纹条件下KI2

随不同喷丸工艺参数变化及绘制直观的a-N曲线。4.Franc3d裂纹模型及残余应力导入将四周受拉力小平板静力学模型

Franc3d中，插入中心表面裂纹，半径和深度均为0.3mm,裂纹中心在14,561节点位置处，预制初始裂纹后分别导入不同参数下Abaqus静力学回弹分析后得到的残余应力场条件提交静力学分析计算，再分别进行裂纹扩展计算，求得裂纹前段扩展0.045mm

距离时的a-N曲线。图2V=30m/s,垂直喷丸瞬间及回弹后的内壁表面二、有限元模拟结果与分析1.不同喷丸角度下的裂纹前沿有限元模拟结果(1)喷丸角度对KI2的影响规律如图10为不同喷丸角度加载模型，Franc3d软件可显示

出载荷条件下裂纹前缘应力强度因子值及残余应力场单独作用下KI2,由于喷丸引起疲劳寿命提高的原理为喷丸产生的残余压应力引起裂纹闭合的效应。仿真结果发现该分析步计算出KI2为负值，在理论中没有实际意义，但由于裂纹

前缘同一点处总应力强度因子为代数和，故可以理解为KI2为喷丸影响裂纹闭合的程度，其绝对值越大，对提高疲劳寿命效果越好。图3

不同喷丸角度下K12数值曲线(2)喷丸角度对a-N的影响规律运用裂纹扩展功能(GrowCrack),扩展依据Paris准则输入R=0.1下的材料常数C=3.934e-9,m=2.5,将初始裂纹前缘扩展约0.045mm长，即初始扩展阶段。计算完成提取数据时，选连续标准化距离

(ConstantNormalizedDistance)数值为0.5.即选择前缘中心点移动。图4为相同速度，加载角度分别为与y轴(压力容器纵向)成不同角度时的初始裂纹扩展阶段的a-N曲线。角度与喷丸平面成45°时，KI2绝对值最大。从a-N曲线也可得对于开始扩展微小尺寸，扩展初期扩展几乎相同长度时，45°喷丸扩展次数最多。2.不同喷丸速度下的裂纹前缘有限元模拟结果

(1)喷丸速度对KI2的影响规律图4

不同喷丸角度下裂纹扩展初期a-N曲线现讨论相同喷丸角度，弹丸直径相同情况下，不同喷丸速度下的残余应力场产生的裂纹前缘KI2的变化情况。选择45度喷丸角度，速度分别选择10~60m/s,速度分别间隔10m/s的6组数据，结果如图5所示。(2)喷丸速度对a-N的影响规律继续运用裂纹扩展功能(GrowCrack),提取数据时依

据选连续标准化距离

(Constant

NormalizedDistance)数值为0.5。normalized

distance

along

front/mm图5

喷丸角45°不同速度下的KI2数值Cycivy图6喷丸角45°不同速度下的裂纹扩展初期a-N曲线当喷丸速度为30m/s时，绝对值最大，10m/s效果最差，当超过40m/s时，随着速度增加效果降低。a-N曲线与应力强度因子规律吻合，符合Paris公式，10m/s产生的残余应力甚至有增大裂纹扩展速率的趋势(KI2值为正),最佳速度30-40m/s之间。3.

不同喷丸方向下的裂纹前缘有限元模拟结果(1)喷丸角度的影响规律保持与45°喷丸角度不变，改变七弹丸模型沿纵向方向的夹角，即改变喷丸方向，研究喷丸方向的影响。(2)喷丸方向对a-N

的影响规律从a-N规律同样可以看出，30°和60°方向喷丸时较其余角度裂纹扩展速率较快，0°,45°,90°基本一致。三、讨论由于网格密度对试验结果也有影响，文中忽略此影响，只获得喷丸参数对KI2影响的一般趋势。文中并未对所得结果进行试验验证，且只用7弹丸模型对微小浅表裂纹未扩展阶段KI2及裂纹扩展初期阶段(只扩展少量尺寸)的a-N关系进行模拟讨论。只用7弹丸模型作为多弹丸喷丸情况的一种典型规则情况，以此类比分析多弹丸喷丸的一般规律，对于类似金属材料压力容器内壁多弹丸喷丸角度及速度选择具有借鉴意义。四、结论(1)此压力容器当喷丸速度与喷丸平面呈45°时，初始裂纹KI2绝对值最大。a-N规律与其规律一致，满足Paris公式，对于危害较大纵向微小表面裂纹，不是垂直容器内壁喷丸的效果最好，一定角度喷丸具有较好的延长疲劳寿命的效果。(2)对于文中材料和体积的压力容器，最佳喷丸速度在30~40m/s之间。a-N规律同样符合Paris公式，喷丸速度

不能过低，产生的残余应力甚至有增大裂纹扩展速率的趋势(KI2值部分为正),随着喷丸速度增加，延缓裂纹扩展效果增强，