孫旭 趙繼瑞

摘? 要：在長(zhǎng)管拖車(chē)的定期檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分長(zhǎng)管拖車(chē)氣瓶瓶體存在裂紋性缺陷，為分析裂紋性缺陷對(duì)氣瓶安全性能的影響及消除缺陷，對(duì)裂紋性缺陷進(jìn)行了建阿模及應(yīng)力分析，分析結(jié)果對(duì)缺陷處應(yīng)力分布及消除缺陷具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)管拖車(chē)? ANSYS? 裂紋性缺陷

中圖分類(lèi)號(hào)：TH49 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0075-02

長(zhǎng)管拖車(chē)往來(lái)于人口、建筑密集的地區(qū)，工作壓力高（工作壓力20MPa），介質(zhì)易燃易爆，一旦發(fā)生事故，將產(chǎn)生巨大的生命、財(cái)產(chǎn)損失和惡劣的社會(huì)影響[1]，有“流動(dòng)的炸彈”之稱(chēng)，為了保障長(zhǎng)管拖車(chē)安全，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]，防止事故的發(fā)生，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院自2004年起開(kāi)始開(kāi)展長(zhǎng)管拖車(chē)定期檢驗(yàn)工作。

在定期檢驗(yàn)中，通過(guò)內(nèi)外部宏觀檢查、磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)及等檢驗(yàn)檢測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)有部分大容積鋼制無(wú)縫氣瓶瓶體有裂紋存在，對(duì)長(zhǎng)管拖車(chē)的安全運(yùn)行產(chǎn)生隱患。如何對(duì)瓶體上存在的裂紋的危害性進(jìn)行評(píng)估，如何徹底消除瓶體裂紋對(duì)長(zhǎng)管拖車(chē)安全運(yùn)行的影響，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。該文擬采用有限元分析模擬仿真手段，經(jīng)過(guò)合理的簡(jiǎn)化，模擬大容積鋼制無(wú)縫氣瓶及瓶體裂紋，假設(shè)長(zhǎng)管拖車(chē)氣瓶在最大工作壓力20MPa下，通過(guò)靜態(tài)求解，分析出在最大工作壓力20MPa時(shí)，瓶體及裂紋處的應(yīng)力分布，從而為評(píng)價(jià)裂紋危害性以及如何消除裂紋提供理論依據(jù)。

1? 氣瓶參數(shù)

長(zhǎng)管拖車(chē)用大容器鋼制無(wú)縫氣瓶尺寸、材料及工作參數(shù)如表1所示。

2? 氣瓶建模及分析

為了分析氣瓶裂紋的應(yīng)力分布，根據(jù)表1中相關(guān)參數(shù)，利用SolidWorks軟件建立理想情況下氣瓶模型，導(dǎo)入ANSYS，設(shè)置材料彈性模量EX=200e3MPa，泊松比u=0.3，工作壓力20MPa，以靜態(tài)模式求解，讀入求解文件，求解出應(yīng)力分布分布情況，考慮氣瓶結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化，從中取氣瓶瓶體1/4進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

2.1 無(wú)缺陷氣瓶

從模擬結(jié)果可以看出，氣瓶從瓶肩部位延伸到直管段部分，應(yīng)力圖顏色均勻，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)，瓶體的應(yīng)力分布均勻，變化范圍很小，氣瓶瓶體應(yīng)力分布均勻部位的裂紋，對(duì)氣瓶的影響區(qū)別很小。在氣瓶瓶頸部位，因此處有明顯的形狀改變，應(yīng)力有一定的集中，應(yīng)力值在351MPa左右。應(yīng)力在瓶體近中心端到瓶體與距瓶肩結(jié)合處內(nèi)一段距離的區(qū)域內(nèi)分布均勻。

2.2 裂紋缺陷氣瓶

應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行模型建立，在距瓶肩300mm處分別模擬橫向/縱向裂紋，裂紋深度選取設(shè)計(jì)壁厚的5%，寬度選取0.1mm，長(zhǎng)度選取15mm、35mm。

2.2.1 橫向裂紋缺陷氣瓶

模擬橫向裂紋，SolidWorks模型如圖1所示。

分析結(jié)果顯示，對(duì)于15mm橫向裂紋，在裂紋的大部分區(qū)域，應(yīng)力分布均勻，約為314～380MPa間;裂紋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在在裂紋的兩端，為450～510MPa之間，局部已經(jīng)超過(guò)700MPa。該橫向裂紋在深度方向的應(yīng)力分布均勻，但在兩端應(yīng)力較大，所以該裂紋在長(zhǎng)度方向上會(huì)有較大的擴(kuò)展性，建議在不影響瓶體強(qiáng)度的情況下將其打磨。對(duì)于35mm橫向裂紋，在裂紋段應(yīng)力較低，且總體應(yīng)力分布較為均勻，在裂紋的兩端處，特別是在近內(nèi)表面的裂紋兩端應(yīng)力較大，最大達(dá)到720MPa。裂紋在深度方向應(yīng)力集中較小，但在兩端的應(yīng)力很大，所以該裂紋在長(zhǎng)度方向上會(huì)有較大的擴(kuò)展性，建議在不影響瓶體強(qiáng)度的情況下將其打磨。

2.2.2 縱向裂紋缺陷氣瓶

模擬縱向裂紋，SolidWorks模型如圖2所示。

分析結(jié)果顯示，對(duì)于15mm縱向裂紋，在裂紋處稍遠(yuǎn)離裂紋兩端處應(yīng)力較低;在裂紋的兩端應(yīng)力很大;從應(yīng)力結(jié)果分析可知，該裂紋在深度方向應(yīng)力分布均勻，無(wú)集中現(xiàn)象;在裂紋兩端應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，說(shuō)明裂紋在長(zhǎng)度方向上有擴(kuò)展的趨勢(shì)，建議在不影響瓶體強(qiáng)度的情況下將其打磨。對(duì)于35mm縱向裂紋，，在裂紋處稍遠(yuǎn)離裂紋兩端處應(yīng)力較低;在裂紋的兩端應(yīng)力很大，屬于應(yīng)力集中;從應(yīng)力結(jié)果分析可知，該裂紋在深度方向應(yīng)力分布均與，無(wú)集中現(xiàn)象;在裂紋兩端應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，說(shuō)明裂紋在長(zhǎng)度方向上有擴(kuò)展的趨勢(shì)，建議在不影響瓶體強(qiáng)度的情況下將其打磨。

3? 結(jié)語(yǔ)

由上述分析結(jié)果可以得出，橫向裂紋與縱向裂紋遠(yuǎn)離裂紋兩端的位置應(yīng)力較低，兩端位置應(yīng)力集中嚴(yán)重，雖然由于邊界條件的精確度問(wèn)題，應(yīng)力數(shù)值上有一定的誤差，但是整體趨向明顯，顯示了裂紋在長(zhǎng)度方向上的擴(kuò)展型，可以在不影響瓶體強(qiáng)度的情況下將其打磨。本次分析不能得到裂紋擴(kuò)展速度的分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉三江，鄭暉，王勇，等.對(duì)長(zhǎng)管拖車(chē)氣瓶定期檢驗(yàn)方法的探討[J].中國(guó)鍋爐壓力容器安全，2005，21（2）：38-41.

[2] TSG R0005-2011，移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].