刁愛(ài)民 李海濤

（海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033）

無(wú)縫船用氣瓶的制造方法主要有3種：沖撥拉伸法、沖壓拉伸法和無(wú)縫鋼管旋壓法．在氣瓶制造過(guò)程中，若采用鍛造方式處理瓶口，容易造成氣瓶瓶口產(chǎn)生皺折．這些皺折，在船用氣瓶充放氣產(chǎn)生交變應(yīng)力的過(guò)程中，容易發(fā)生擴(kuò)展，產(chǎn)生疲勞破壞［1－2］．高壓氣瓶一旦發(fā)生疲勞破壞，可能造成泄漏，甚至出現(xiàn)在沒(méi)有任何征兆如容器泄漏的情況下而直接發(fā)生容器破壞，導(dǎo)致突發(fā)災(zāi)難性事故的發(fā)生［3－5］．目前，對(duì)于承壓設(shè)備中的裂紋類缺陷，國(guó)內(nèi)已建立了較完善的安全評(píng)定和剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)［6－8］．但對(duì)于船用氣瓶中普遍存在的皺折類缺陷，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚無(wú)相關(guān)安全評(píng)定技術(shù)內(nèi)容，如何對(duì)其進(jìn)行合理化表征，確定其失效模式，科學(xué)給出容許的缺陷尺寸和剩余壽命，尚需開(kāi)展進(jìn)一步研究．為此，本文針對(duì)含皺折缺陷的某型船用氣瓶開(kāi)展安全性評(píng)價(jià)與剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究，所使用的研究方法，以及相關(guān)結(jié)論具有的一定的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值．

1 船用氣瓶皺折的表征

通過(guò)觀察高壓氣瓶收口處的剖面圖發(fā)現(xiàn)，其收口處的皺折缺陷形貌各異，可歸納為4類，見(jiàn)圖1．圖1a），b）中的皺折頂部金屬基本處于貼合狀態(tài)；圖1c），d）的皺折兩側(cè)金屬未貼合，留有一定的空隙，其頂部有一定的圓弧半徑ρ．為了分析不同皺折類型對(duì)氣瓶使用安全性的影響，有必要對(duì)皺折進(jìn)行分類和表征，對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，以便于進(jìn)行區(qū)分研究．

圖1 高壓氣瓶皺折的四種形貌類型

依據(jù)不同類型皺折所帶來(lái)危害等級(jí)的不同，可將皺折分為裂紋類和非裂紋類兩大類．基于偏保守評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)于在宏觀目視下皺折底部金屬出現(xiàn)貼合或者接近貼合狀態(tài)時(shí)，即ρ≈0，如圖1a），b）所示的皺折可近似視為裂紋，按照裂紋進(jìn)行評(píng)價(jià)和計(jì)算．圖1c），d）類型的皺折（ρ＞0），可用皺折的尖銳度和頂部圓弧半徑ρ作為皺折表征參數(shù)，其中尖銳度定義為皺折的深度a與皺折的半寬b之比即（a／b），見(jiàn)圖2．

圖2 皺折尖銳度定義示意圖

2 皺折處的應(yīng)力集中系數(shù)

2．1 應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算方法

在氣瓶皺折附近，其應(yīng)力分布不像裂紋尖端一樣具有奇異值，但也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象．對(duì)于承受高壓且載荷周期性變化的結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)力集中系數(shù)較大的結(jié)構(gòu)部位最容易萌生裂紋．在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論中，某點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)λ可定義為結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力與該處薄膜應(yīng)力之比為

式中：σm為薄膜應(yīng)力，其計(jì)算式為

式中：p為氣瓶工作壓力；D為氣瓶瓶口的中徑；B為氣瓶瓶口厚度．對(duì)于非裂紋類皺折（ρ＞0），應(yīng)力集中系數(shù)可反映皺折對(duì)使用安全性的影響程度．本文通過(guò)數(shù)值方法建立含皺折船用氣瓶計(jì)算模型，確定皺折處的應(yīng)力集中系數(shù)，研究2個(gè)表征參數(shù)（a／b，ρ）對(duì)皺折處應(yīng)力集中系數(shù)的影響．

2．2 尖銳度a／b對(duì)皺折應(yīng)力集中系數(shù)的影響

從某型船用高壓氣瓶（具體參數(shù)略）皺折的分布位置看，基本處于氣瓶收口處附近，因此選取計(jì)算模型的氣瓶外徑為D＝300mm，厚度為B＝23mm．先固定皺折頂部圓弧半徑為0．5mm，皺折深度a為3mm，通過(guò)改變皺折半寬b來(lái)分析不同尖銳度a／b對(duì)皺折應(yīng)力集中系數(shù)的影響．下面以尖銳度a／b＝6為例分析船用氣瓶結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況，其計(jì)算模型見(jiàn)圖3．?dāng)?shù)值計(jì)算模型中彈性模量為207GPa，泊松比為0．3．

圖3 含皺折氣瓶結(jié)構(gòu)模型圖（a／b＝6）

圖4 給出了尖銳度a／b＝6條件下氣瓶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖．可以看出，對(duì)于深度3mm、尖銳度為6的皺折最大應(yīng)力為1 840MPa，該處的尖銳度皺折的應(yīng)力集中系數(shù)為7．79．

圖4 含皺折氣瓶應(yīng)力分布圖（a／b＝6）

分別計(jì)算皺折頂部圓弧半徑ρ為0．3，0．5，0．7mm時(shí)，不同尖銳度皺折處的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖5．由圖可知，隨著皺折尖銳度的增加，其皺折處的應(yīng)力集中系數(shù)也隨之增大，但當(dāng)尖銳度超過(guò)1時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)增大的速度降低，曲線變得平緩．

圖5 應(yīng)力集中系數(shù)λ與尖銳度a／b的關(guān)系

2．3 頂部圓弧半徑ρ對(duì)皺折應(yīng)力集中系數(shù)的影響

為了研究皺折尖銳度一定時(shí)頂部圓弧半徑ρ對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響，選取計(jì)算工況為：皺折深度a為3mm、尖銳度為3（a＝3mm，b＝1mm），頂部圓弧半徑ρ分別為0．8，0．6，0．4，0．2mm．圖6給出了圓弧半徑ρ為0．8mm時(shí)氣瓶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布圖．圖7給出了尖銳度分別為1，3，5條件下應(yīng)力集中系數(shù)與圓弧半徑之間的關(guān)系曲線．

圖6 含皺折氣瓶應(yīng)力分布圖（ρ＝0．8mm）

由圖7可見(jiàn)，皺折應(yīng)力集中系數(shù)隨著圓弧半徑的增大而減小，且圓弧半徑越大，應(yīng)力集中系數(shù)的變化趨緩．隨著尖銳度a／b的增大，應(yīng)力集中系數(shù)略有上升，但變化不大．從對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響程度來(lái)看，皺折表征參數(shù)頂部圓弧半徑ρ對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響更加顯著．

圖7 應(yīng)力集中系數(shù)λ與ρ的關(guān)系

3 含皺折船用氣瓶安全評(píng)價(jià)及剩余壽命預(yù)測(cè)

3．1 皺折的處理

對(duì)皺折應(yīng)力集中系數(shù)的研究結(jié)果表明，當(dāng)尖銳度a／b大于1（對(duì)應(yīng)皺折的頂部夾角小于90°）時(shí)，尖銳度a／b的變化對(duì)于應(yīng)力集中系數(shù)影響不明顯．隨著頂角圓弧半徑ρ增大，應(yīng)力集中系數(shù)λ衰減非常明顯，在圓弧半徑ρ達(dá)到0．8mm時(shí)，其衰減過(guò)程趨緩．為此，基于偏保守原則，當(dāng)皺折頂部圓弧半徑ρ≤1mm，將其按裂紋處理；當(dāng)皺折頂部圓弧半徑ρ＞1mm，將其按非裂紋類缺陷進(jìn)行處理．

3．2 非裂紋類皺折的疲勞裂紋萌生壽命

根據(jù)以上分析，當(dāng)皺折的頂角圓弧半徑ρ＞1 mm時(shí)，將其歸為非裂紋類缺陷處理．取頂角圓弧半徑為0．8mm的皺折進(jìn)行偏保守分析，取皺折深度為3mm，尖銳度為1．?dāng)?shù)值計(jì)算時(shí)采用雙線性本構(gòu)材料模型，其中彈性模量為207GPa，切線模量為2．957GPa．圖8給出了該計(jì)算工況下氣瓶的應(yīng)變分布圖，其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變值為1．09%，最大應(yīng)變幅值為0．545%．

圖8 含非裂紋類皺折氣瓶應(yīng)變圖（a＝3mm）

通過(guò)氣瓶材料軸向疲勞試驗(yàn)得到的疲勞性能曲線即應(yīng)變幅值與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖9．經(jīng)計(jì)算，3mm深皺折計(jì)算得出的0．545%應(yīng)變幅值所對(duì)應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)為191 529次．考慮到疲勞分析20倍安全系數(shù)，可知其疲勞裂紋萌生壽命不低于9 576次．

圖9 應(yīng)變幅－疲勞壽命關(guān)系曲線

3．3 裂紋類皺折的安全評(píng)價(jià)

選取3種皺折，深度分別取為3，4和5mm，皺折長(zhǎng)度均為55mm．這3種皺折缺陷可表征為a＝3，4和5mm，2c＝55mm的半橢圓形表面裂紋．

通過(guò)疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)得到船用氣瓶在工作環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率：

式中：ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子．對(duì)此3種皺折進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算，計(jì)算疲勞循環(huán)20 000次后的最終擴(kuò)展尺寸．表1給出了深度為4mm皺折疲勞擴(kuò)展結(jié)果．

表1 深度4mm皺折疲勞擴(kuò)展計(jì)算結(jié)果

對(duì)3種皺折的最終評(píng)定結(jié)果在通用失效評(píng)定圖上進(jìn)行安全評(píng)定［9］，這3種皺折的評(píng)定點(diǎn)仍位于安全區(qū)內(nèi)，即含有此3種皺折的氣瓶可保證安全使用．對(duì)不同深度皺折進(jìn)行疲勞分析計(jì)算，確定疲勞循環(huán)20 000次仍能保證安全的皺折深度．不同皺折深度疲勞循環(huán)20 000次后的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)圖10．由圖可知，當(dāng)皺折深度a＝11．0mm時(shí)，評(píng)定點(diǎn)位于安全區(qū)內(nèi)，當(dāng)皺折深度a＝11．1mm時(shí)，評(píng)定點(diǎn)落在評(píng)定線上，因此，可認(rèn)為皺折臨界深度為11．0mm．

圖10 皺折疲勞評(píng)定臨界深度計(jì)算

3．4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了分析以上數(shù)值分析結(jié)果的正確性，本文開(kāi)展了含人工預(yù)制皺折缺陷氣瓶的疲勞試驗(yàn)研究工作，預(yù)制的皺折情況見(jiàn)表2．

表2 試驗(yàn)用氣瓶人工預(yù)制皺折尺寸參數(shù) mm

試驗(yàn)加載疲勞循環(huán)載荷20 000次后，這些皺折未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展，聲發(fā)射檢測(cè)無(wú)明顯缺陷活動(dòng)信號(hào)．試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于5mm的皺折，在疲勞循環(huán)20 000次后是安全的．

4 結(jié) 論

1）對(duì)于含皺折缺陷的船用氣瓶，當(dāng)其皺折頂部圓弧半徑ρ≤1mm，可按裂紋進(jìn)行處理；當(dāng)皺折頂部圓弧半徑ρ＞1mm，可按非裂紋類缺陷進(jìn)行處理．

2）在其他參數(shù)一定的情況下，非裂紋內(nèi)皺折的應(yīng)力集中系數(shù)隨著皺折尖銳度的增加而增大，隨著圓弧半徑的增大而減?。幌啾容^而言，頂部圓弧半徑的變化對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的影響更加顯著．

3）對(duì)于該型船用高壓氣瓶而言，當(dāng)皺折深度≤5mm時(shí)，在經(jīng)過(guò)20 000次循環(huán)使用后能仍保證其使用安全．

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