李建

（成都益志科技有限責(zé)任公司， 四川 成都 610036）

隨著社會的發(fā)展，人們的物質(zhì)需求不斷攀升，其中對于石油資源的需求量表現(xiàn)得更加顯著。為了順應(yīng)社會需求量的提升，世界各國的石油開采量逐漸加大。我國作為世界上最大的發(fā)展中國家之一，對石油的消耗量非常巨大[1]。石油壓力容器是石油開采和運輸過程中的重要設(shè)備[2]。壓力容器使用環(huán)境復(fù)雜且裝載介質(zhì)特殊，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此必須采取措施對其使用狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[3,4]。石油壓力容器在使用過程中由于環(huán)境復(fù)雜容易受到外界對其造成的循環(huán)周期載荷，在周期載荷的作用下表面容易出現(xiàn)裂紋[5]。毫無疑問，如果容器表面出現(xiàn)了裂紋，會對其正?？煽窟\行構(gòu)成威脅，縮短設(shè)備的使用壽命?；诖?，為準(zhǔn)確掌握石油壓力容器的使用壽命，有必要研究分析裂紋對容器疲勞壽命的影響規(guī)律[6]。本文以某工程用石油壓力容器為例，建立了壓力容器疲勞壽命預(yù)測模型，詳細(xì)分析了裂紋對疲勞壽命的影響規(guī)律。對于準(zhǔn)確預(yù)測石油壓力容器的壽命，指導(dǎo)容器的實踐應(yīng)用具有重要的實踐意義。

1 石油壓力容器疲勞壽命模型的建立

1.1 三維模型的建立

三維模型利用Solid Works軟件繪制，石油壓力容器為圓筒形件，內(nèi)徑和壁厚分別為3m和10mm。結(jié)構(gòu)簡單，模型建立過程方便。模型建立完成后要將其導(dǎo)出為STP格式，以便后續(xù)導(dǎo)入到ANSYS軟件建立容器的疲勞壽命預(yù)測模型。

1.2 有限元模型的建立

（1）模型假設(shè)。壓力容器內(nèi)部存儲的石油會導(dǎo)致沿著容器厚度方向溫度分布不均勻。因此，在開展壽命預(yù)測過程中還需要考慮溫度的影響，建立熱力耦合模型。另外，為簡化計算過程，假設(shè)容器內(nèi)表面存在的裂紋全部為橢圓形。

（2）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是有限元仿真分析中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會直接影響仿真分析計算過程和結(jié)果?？紤]到本文的研究對象壓力容器為曲面結(jié)構(gòu)，最終選擇十節(jié)點四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長設(shè)置為10mm。最終得到的單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量分別為245087個和321654個。

（3）材料屬性。壓力容器的材料為Q345，該材料的彈性模量和泊松比分別為208GPa和0.3，屈服強(qiáng)度和最大許用應(yīng)力值分別為345MPa和510MPa。將上述參數(shù)輸入到有限元模型中參與計算，以確保計算結(jié)果的精度。

（4）邊界條件。石油容器在工作時會受到外部對其造成的沖擊，導(dǎo)致容器內(nèi)部石油發(fā)生晃動，因此內(nèi)表面會受到周期性載荷作用。且石油容器遭受的沖擊是間斷變化的，所以容器內(nèi)壁受到的載荷也是變化的。在ANSYS軟件中通過載荷步設(shè)置壓力容器內(nèi)表面載荷在0-1MPa范圍內(nèi)變化。考慮到石油容器內(nèi)部石油有溫度，將容器內(nèi)部溫度設(shè)置在40-60℃內(nèi)變化?？梢钥闯觯腿萜髟诠ぷ鲿r不僅會承受持續(xù)變化的力載荷，同時還承受一定的溫度載荷。在力載荷和溫度載荷的綜合作用下，壓力容器不可避免地會出現(xiàn)疲勞裂紋，只是時間長短的問題。如果出現(xiàn)裂紋后不對其進(jìn)行處理，就會急劇縮短設(shè)備使用壽命。

2 石油壓力容器疲勞壽命預(yù)測結(jié)果分析

主要研究了裂紋寬度、深度、方向、數(shù)量對石油壓力容器疲勞壽命的影響。下面對這些情況進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 單個軸向裂紋的影響

圖1所示為單個軸向裂紋時的疲勞壽命分布云圖。需要說明的是，圖中顯示的裂紋規(guī)格為長度×深度=150mm×8mm。由圖1可知，在裂紋的影響下，容器表面不同區(qū)域的疲勞壽命分布非常不均勻，距離裂紋越近則疲勞壽命越短，距離裂紋越遠(yuǎn)則疲勞壽命越長。

圖1 單個軸向裂紋時的疲勞壽命分布云圖

圖2所示為單個軸向裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線。本研究中將裂紋長度設(shè)置在50-200mm范圍內(nèi)，每間隔50mm取值計算，將裂紋深度設(shè)置在2-8mm范圍內(nèi)，每間隔2mm取值計算。由圖可知，裂紋的規(guī)格尺寸會對容器疲勞壽命產(chǎn)生顯著影響。具體而言，隨著裂紋規(guī)格尺寸的逐漸增大，容器的疲勞壽命逐漸降低。且當(dāng)裂紋尺寸不同時，其降低的趨勢存在差異，尺寸越大降低趨勢越顯著。

圖2 單個軸向裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線

2.2 單個縱向裂紋的影響

當(dāng)石油壓力容器只包含有單個縱向裂紋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞壽命最短的區(qū)域為裂紋最尖端部分，同樣與實際情況吻合。如圖3所示為單個縱向裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線。需要說明的是，仿真模擬時設(shè)置的裂紋規(guī)格尺寸與橫向裂紋時相同。由圖可知，裂紋規(guī)格尺寸對疲勞壽命的影響規(guī)律與橫向裂紋時相同。即裂紋長度不變時，隨裂紋深度不斷增加，疲勞壽命逐漸降低。裂紋深度不變時，隨著裂紋長度增加，疲勞壽命同樣呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。從圖2和圖3還可以看出，不管裂紋方向如何，裂紋深度對石油壓力容器的疲勞壽命影響更加顯著。另外，對比縱向和軸向裂紋可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)深度和長度都相同時，橫向裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響更加顯著。因此，在工程實踐中，要特別注意石油壓力容器裂紋的方向以及深度。

圖3 單個縱向裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線

圖4 雙裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線

2.3 雙裂紋的影響

在模型中同時設(shè)置兩條裂紋，尺寸相同但存在一定角度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋尖端部位仍然是疲勞壽命最短的區(qū)域。如圖4(a)所示為雙裂紋對壓力容器疲勞壽命的影響曲線。需要說明的是，仿真模擬時設(shè)置的雙裂紋規(guī)格尺寸與單裂紋時相同。由圖可知，雙裂紋規(guī)格尺寸對疲勞壽命的影響規(guī)律與單裂紋時相同。

進(jìn)一步分析雙裂紋間夾角對壓力容器疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖4(b)所示。從圖中曲線可以看出，當(dāng)裂紋長度固定時，隨著雙裂紋夾角的不斷增加，壓力容器疲勞壽命逐漸降低。且隨裂紋長度的增長，這種逐漸降低的變化趨勢變得越來越顯著。另外還發(fā)現(xiàn)，雙裂紋夾角在角度相對較小時變化幅度相對較大，當(dāng)增加到一定程度時變化幅度相對較小。

基于上述研究結(jié)果可知，當(dāng)石油壓力容器內(nèi)表面同時存在多條裂紋時，與單裂紋相比較，其受力情況變得更加復(fù)雜。不同裂紋間的受力會相互影響相互作用。在裂紋長度和深度都相同時，雙裂紋導(dǎo)致的容器疲勞壽命衰減速度更快。

3 疲勞壽命預(yù)測模型對工程實踐的指導(dǎo)

某石油壓力容器為圓筒形，圓筒的內(nèi)徑為3m，壁厚值為10mm，材質(zhì)為Q345。在正常使用過程中受到周圍環(huán)境對其施加的0-1MPa的循環(huán)載荷。由于石油壓力容器工作環(huán)境復(fù)雜，在使用過程中不可避免地會在壓力容器內(nèi)外表面形成裂紋。一旦出現(xiàn)裂紋就會對壓力容器疲勞壽命產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響。為確保壓力容器的使用安全，必須對其使用壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。根據(jù)上文分析結(jié)果可以看出，基于ANSYS軟件的石油壓力容器預(yù)測模型與實際情況非常吻合，可以基于該模型來預(yù)測壓力容器的使用壽命。在本工程案例中，通過檢測發(fā)現(xiàn)石油壓力容器內(nèi)表面存在多條裂紋，為有效預(yù)測壓力容器使用壽命，避免容器出現(xiàn)疲勞損傷引發(fā)安全事故，根據(jù)上文所述的ANSYS軟件建模方法，對本工程案例中的石油壓力容器進(jìn)行建模分析，有效預(yù)測了壓力容器的使用壽命。根據(jù)預(yù)測結(jié)果在壓力容器出現(xiàn)疲勞損傷報廢之前對其進(jìn)行更換，有效避免了安全事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

石油壓力容器由于工作環(huán)境復(fù)雜，受到持續(xù)變化的沖擊載荷作用，容易發(fā)生疲勞裂紋，進(jìn)而使其壽命出現(xiàn)急劇降低。利用ANSYS軟件搭建了石油壓力容器的疲勞壽命模型，分析了裂紋規(guī)格尺寸、雙裂紋夾角對疲勞壽命的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞壽命與裂紋規(guī)格尺寸之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系。與單裂紋相比較，雙裂紋對疲勞壽命的影響更加顯著。將本文建立的疲勞壽命預(yù)測模型應(yīng)用到工程實踐中，有效預(yù)測了某石油壓力容器的使用壽命，確保了石油壓力容器的使用安全。

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