沈 強(qiáng)，袁 紅

（大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116016）

由于鋁合金壓力容器工作環(huán)境的原因，極容易造成局部的腐蝕凹坑。大量的腐蝕凹坑會在鋁合金壓力容器的表面產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，甚至?xí)诟g凹坑處產(chǎn)生裂紋并引發(fā)破裂，嚴(yán)重影響鋁合金壓力容器的承載能力。因此，對鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑進(jìn)行檢驗(yàn)評定非常必要。通過對壓力容器局部腐蝕凹坑進(jìn)行應(yīng)力、有限元彈塑性等力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上提出以無量綱參數(shù)的計(jì)算作為鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定方法，從而為壓力容器的合理使用提供依據(jù)。

1 鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定方法

1.1 壓力容器腐蝕凹坑應(yīng)力分析

鋁合金壓力容器所承受的載荷一般為內(nèi)壓和外彎矩，在與腐蝕介質(zhì)接觸時(shí)，其內(nèi)、外壁，往往會產(chǎn)生腐蝕凹坑。在進(jìn)行壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定之前，需要對壓力容器的應(yīng)力集中系數(shù)以及容器極限載荷的有限元進(jìn)行分析。計(jì)算出在內(nèi)壓和外彎矩聯(lián)合作用下壓力容器局部腐蝕凹坑的極限載荷以及在載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，才能進(jìn)行鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定。鋁合金壓力容器應(yīng)力分析主要是分析、求解機(jī)械零件和構(gòu)件等物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)力分布的方法[1]。其作用主要是確定與機(jī)械零件、構(gòu)件失效有關(guān)的危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力集中部位的峰值應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力分析主要是通過應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算以分析壓力容器局部腐蝕凹坑的應(yīng)力集中問題。應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中為壓力容器局部腐蝕凹坑某一點(diǎn)的應(yīng)力值，N為該點(diǎn)截面的有軸力，M為彎矩力數(shù)值。R0、r0分別為容器內(nèi)、外壁的半徑尺寸。ρS為曲率半徑。

收稿日期：2020-03

作者簡介：沈強(qiáng)（1977-），男（漢族），吉林洮南人，碩士，工程師，研究方向：鍋爐壓力容器檢驗(yàn)。

其中，K為應(yīng)力系數(shù)，?為正應(yīng)力數(shù)值

通過壓力容器局部腐蝕凹坑的應(yīng)力系數(shù)計(jì)算，可以分析出凹坑底部的應(yīng)力應(yīng)變最大，應(yīng)力大小隨著測點(diǎn)至凹坑中心的距離的增加呈指數(shù)函數(shù)形式驟減[2]。壓力容器局部腐蝕凹坑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析中的靜力、動力、線性以及非線性問題通過有限元的分析得以解決，為之后蝕坑的檢驗(yàn)評定提供可靠的數(shù)學(xué)模型[3]。有限元的計(jì)算模型如圖1所示，其分析基本步驟如下：

(1)將實(shí)際求解離散化，即將求解域劃分成節(jié)點(diǎn)和單元。

(2)對每個(gè)單元建立單元剛度矩陣。

(3)寫出節(jié)點(diǎn)自由度為未知量的結(jié)構(gòu)整體剛度方程，并將邊界條件、初始條件應(yīng)用到方程中，方程如下：

其中：K是單元剛度矩陣集合，δ是節(jié)點(diǎn)的初始數(shù)值，R是節(jié)點(diǎn)上的自由度值。

(4)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的值和形函數(shù)，得到其他的物理量。如應(yīng)力、支座反力、彎矩圖、熱流量等。

(5)結(jié)果分析。

圖1 有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型的邊界條件，在軸線與蝕坑中心的縱截面上，其x方向的位移受到限制；蝕坑中心的橫截面上，y方向的位移受到約束[4]；容器端部的支承處，z方向的位移為零。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的單元采用8節(jié)點(diǎn)三維固體單元。

1.2 凹坑圓滑過渡處理

進(jìn)行鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定前，要對需要進(jìn)行檢驗(yàn)的壓力容器，排放干凈內(nèi)部物質(zhì)，徹底清除內(nèi)部的有害氣體和液體，并且用盲板隔離其它氣體和液體，不能用關(guān)閉閥門代替盲板隔離。其次需要對蝕坑的表征、蝕坑所在部位容器的尺寸以及材料的性能進(jìn)行測量并確定。再次對腐蝕凹坑進(jìn)行圓滑過渡處理，其目的一是避免蝕坑的應(yīng)力集中，二是為無量綱參數(shù)計(jì)算提供幾何參數(shù)，三是方便鋁合金壓力容器的整改與維修[5]。由于鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的不規(guī)則，腐蝕凹坑的圓滑處理首先是按其外接矩形規(guī)則化為長軸長度、短軸長度以及深度分別為2A、2B及C的半橢球形凹坑，然后進(jìn)行清潔打磨。在進(jìn)行打磨時(shí)要等砂輪機(jī)的砂輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)后才能使用。開始磨削時(shí)，壓力容器不能猛壓在砂輪上，要逐漸施加壓力。磨削時(shí)，應(yīng)照顧到砂輪的均勻磨損，要盡量避免使用砂輪側(cè)面[6]。采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行清洗和處理，能使其露出原材料，以便更好地進(jìn)行檢驗(yàn)評定。

1.3 計(jì)算無量綱參數(shù)以及評定腐蝕凹坑安全等級

腐蝕凹坑在經(jīng)過圓滑處理后其表面光滑，過渡平緩，蝕坑周圍也沒有潛在或明顯的其他缺陷。蝕坑也不靠近幾何不連續(xù)或存在尖銳菱角的區(qū)域。在計(jì)算無量綱參數(shù)之前，為保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性，壓力容器不得處于承受外壓或疲勞載荷的狀態(tài)，且不可使用劣質(zhì)材料，要根據(jù)鋁合金壓力容器的設(shè)計(jì)規(guī)格來選擇相應(yīng)的材料。此外，蝕坑的深度要小于壁厚的三分之一，蝕坑底部的最小厚度要大于3mm，蝕坑的半寬要大于蝕坑深度的3倍，以保證計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑無量綱參數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中G0為無量綱參數(shù)；C為腐蝕凹坑的深度；T為腐蝕凹坑所在部位壓力容器的壁厚，單位mm；A為腐蝕凹坑的半長；R為壓力容器的平均半徑，單位mm。

通過公式計(jì)算出無量綱參數(shù)，以其結(jié)果進(jìn)行安全評定。當(dāng)腐蝕凹坑超過壁厚余量范圍，且凹坑不能滿足表面光滑，過渡平緩7個(gè)條件，大于等于0.10時(shí)，則凹坑是不允許的，其安全等級定為5級[7-8]。然后根據(jù)其安全等級提出相應(yīng)的整改方案，最終完成鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定，如圖2所示：

圖2 鋁合金壓力容器腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定示意圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了保證提出的鋁合金壓力容器腐蝕凹坑檢驗(yàn)評定方法的有效性，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。選取的蝕坑數(shù)據(jù)見表1。

表1 蝕坑表征數(shù)據(jù)信息

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，蝕坑都是經(jīng)圓滑過渡處理，表面光滑、過渡平緩，無其他表面缺陷和埋藏缺陷。蝕坑不靠近幾何不連續(xù)區(qū)域或者存在尖銳棱角的區(qū)域，且容器不承受外壓或疲勞載荷，均滿足蝕坑的深度小于壁厚三分之一，蝕坑底部最小厚度大于3mm，蝕坑半寬大于蝕坑深度3倍的條件。以提出的檢驗(yàn)評定方法為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)的方法為對照組，由于實(shí)驗(yàn)組與對照組方法的不同，無法對其進(jìn)行直接的對比分析。為此，采用統(tǒng)計(jì)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與對比分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以上述的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗(yàn)評定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

由上表可見，實(shí)驗(yàn)組的準(zhǔn)確率明顯高于對照組的準(zhǔn)確率，實(shí)驗(yàn)組檢驗(yàn)評定腐蝕凹坑的準(zhǔn)確率最大可達(dá)到97.2%，而對照組的準(zhǔn)確率最大為76.5%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明提出的鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑檢驗(yàn)評定方法具備極高的有效性。

3 結(jié)束語

基于壓力容器腐蝕凹坑的缺陷處理、應(yīng)力分析、有限元分析以及無量綱參數(shù)的計(jì)算，提出的鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑檢驗(yàn)評定的方法實(shí)現(xiàn)了對腐蝕凹坑的安全評定，為合理使用壓力容器以及延長壓力容器的運(yùn)行壽命提供了依據(jù)，但是其仍然存在較大的上升空間，因此，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。