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高壓滅火劑儲瓶的斷裂強(qiáng)度分析

日期：2024-09-20 14:29
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摘要：
轉(zhuǎn)載至88消防網(wǎng)      作者 孫衛(wèi)東 路景志（江蘇省消防局）（南京理工大學(xué)）
摘 要：本文用斷裂力學(xué)理論對高壓滅火劑儲瓶進(jìn)行了斷裂強(qiáng)度分析。著重介紹了高壓滅火劑儲瓶的應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及破壞機(jī)理，并通過計(jì)算舉例說明高壓滅火劑儲瓶斷裂強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法。
　　關(guān)鍵詞：斷裂力學(xué) 斷裂韌性 應(yīng)力強(qiáng)度因子 低應(yīng)力脆斷
1 概 述
　　高壓滅火劑儲瓶是固定滅火系統(tǒng)的重要組成部分，屬于特種高壓容器范圍。其本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將直接影響到滅火系統(tǒng)的使用性能和用戶的人身**。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，各種承壓設(shè)備不斷向大型化、高性能化發(fā)展，同時(shí)，隨著高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的廣泛采用，高壓容器的承壓能力也越來越高。然而，與之相伴而來不斷發(fā)生的，一系列常規(guī)強(qiáng)度理論無法解釋的低應(yīng)力脆斷事故，讓人費(fèi)解。
　　從1943～1947年美國5000艘全焊接“自由輪”系列中發(fā)生了1000次脆性破壞事故；，1950年美國北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在試驗(yàn)時(shí)突然發(fā)生爆炸，材料的強(qiáng)度和韌性指標(biāo)均符合常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，爆炸時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于許用應(yīng)力；1965年美國的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再次發(fā)生低應(yīng)力脆斷；1965年英國JohnThompson公司大型合成氨塔試驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸；1966年英國Cokenzie大型電站壓力容器發(fā)生爆炸；近年來國內(nèi)外多起高壓滅火劑儲瓶發(fā)生爆炸，其爆炸時(shí)的應(yīng)力都遠(yuǎn)低于材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。
　　經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種低應(yīng)力脆斷的根本原因，是由于結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部（或表面）存在裂紋（或類裂紋）造成的。在對裂紋體進(jìn)行研究的過程中產(chǎn)生了一門新的學(xué)科—-斷裂力學(xué)。斷裂力學(xué)理論，是用來研究和解決工程中的低應(yīng)力脆斷問題的科學(xué)。
2 材料的強(qiáng)度與斷裂韌性
　　斷裂力學(xué)與經(jīng)典材料力學(xué)的根本區(qū)別就在于，經(jīng)典的材料力學(xué)是研究無缺陷連續(xù)均質(zhì)材料的強(qiáng)度問題，而斷裂力學(xué)則是專門研究帶有裂紋材料的破壞問題。斷裂力學(xué)是運(yùn)用彈性力學(xué)和塑性力學(xué)理論，研究裂紋體強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的一門科學(xué)。斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，在材料的冶煉和加工制造過程中，均不同程度地存在著不可避免的內(nèi)部裂紋或表面裂紋（如鋼材冶煉和構(gòu)件焊接過程中的夾雜、脫焊、咬邊及機(jī)械加工過程中的拉傷、劃痕等）。材料發(fā)生斷裂是由于裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)張而造成的。
　　描述材料的斷裂韌性，通常用應(yīng)力強(qiáng)度因子K1來表示。根據(jù)彈性力學(xué)理論，材料的裂紋**附近任意一點(diǎn)的應(yīng)力分量為：
　　從上面方程組可以看出，各應(yīng)力分量中均有一個(gè)共同的因子，它表示裂紋在名義應(yīng)力作用下處于彈性平衡狀態(tài)時(shí)，裂紋**附近應(yīng)力場的強(qiáng)弱。裂紋**附近各點(diǎn)的應(yīng)力，不僅與名義應(yīng)力有關(guān)，而且由于裂紋的存在被大大提高了。因此，用K1作為表示裂紋**附近應(yīng)力場強(qiáng)弱的因子，簡稱應(yīng)力強(qiáng)度因子。一般情況下
        
     
　　當(dāng)一個(gè)有裂紋的構(gòu)件上的作用力逐漸加大，裂紋逐漸擴(kuò)張，裂紋**的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1也隨之增大，當(dāng)達(dá)到某一臨界值K1C時(shí)，構(gòu)件中的裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)張，造成構(gòu)件斷裂。把這個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1C，稱為材料的斷裂韌性。這是一個(gè)描述材料機(jī)械性能的物理量，它與構(gòu)件的受力狀態(tài)和裂紋尺寸無關(guān)。各種材料的斷裂韌性K1C的值，都是通過標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)驗(yàn)測得的。常用材料的斷裂韌性K1C可以從材料手冊上查得。
       
　　大量的事實(shí)證明，不考慮材料的斷裂韌性，只追求其強(qiáng)度高，結(jié)果使得壓力容器在應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服極限（通常不到的一半）的情況下就發(fā)生斷裂。這主要是由于隨著材料的強(qiáng)度提高，斷裂韌性顯著下降的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，材料的強(qiáng)度越高，對裂紋的敏感性越大，即斷裂韌性越差。如圖1所示。　
　　
 
　　圖1中的曲線是根據(jù)目前部分材料的強(qiáng)度和斷裂韌性數(shù)值作成的。顯然，當(dāng)材料的屈服強(qiáng)度大于100（公斤/毫米2）時(shí)，其斷裂韌性急劇下降。這也是高強(qiáng)度壓力容器易發(fā)生低應(yīng)力脆斷的主要原因。
 
　　　　　　　　　　　　　　圖2      鋼材的比韌度
 
　　鑒于上述原因，目前有人認(rèn)為用比韌度（即）來作為高強(qiáng)度壓力容器材料選擇準(zhǔn)則比較**。認(rèn)為這樣既考慮了材料的強(qiáng)度又考慮了材料的斷裂韌性。圖2是國外某科研單位將鋼材各種強(qiáng)度級別斷裂韌性的上下限繪成三條曲線。用，三條稱為比韌度的直線，將圖劃分為三個(gè)區(qū)（四塊）。
 
（1）當(dāng)所選的材料位于比韌度線 以上時(shí)，構(gòu)件的破壞是塑性破壞。這個(gè)區(qū)域的材料具有較高的斷裂韌性，構(gòu)件的破壞只能是由于強(qiáng)度不夠而破壞。即使材料內(nèi)部有裂紋，只要把裂紋面積減去，按普通材料力學(xué)計(jì)算即可。這時(shí)材料內(nèi)部的裂紋不會因受力而擴(kuò)張，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的材料不會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。
（2）當(dāng)所選材料位于比韌度線以下區(qū)域內(nèi)，這時(shí)材料的強(qiáng)度高韌性低。其允許的裂紋臨界尺寸較小，這種情況下出現(xiàn)的斷裂多數(shù)是彈性斷裂（即低應(yīng)力脆斷）。一般來講，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的材料多適用于薄壁構(gòu)件，如薄壁炮管、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭燃燒室等。這類零件所用材料的比韌度都在 附近，而且通常壁厚都小于5毫米。
 
　　*近中國科學(xué)院金屬研究所研究結(jié)果認(rèn)為，在考慮使用比韌度的同時(shí)把構(gòu)件的壁厚考慮進(jìn)去，即  作為材料的韌性判據(jù)比較好。其中和 分別為構(gòu)件材料的斷裂韌性和屈服極限，B為構(gòu)件的壁厚。按照 判據(jù)的要求，保證壓力容器不發(fā)生低應(yīng)力脆斷的條件是：
 
　　　
（3）當(dāng)所選的材料位于兩條比韌度之間的區(qū)域內(nèi)（即 ）直線兩側(cè)，就要作具體的分析。因?yàn)椴牧系谋软g度越大，說明裂紋擴(kuò)展需要的變形功越大，在同樣的應(yīng)力作用下，裂紋不容易擴(kuò)展，構(gòu)件不易斷裂。反之，材料的比韌度越小，裂紋擴(kuò)展需要的變形功也越小，即裂紋容易擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一尺寸時(shí)，構(gòu)件發(fā)生斷裂。通常把這個(gè)裂紋尺寸稱為臨界尺寸。（如Irwin用公式 來計(jì)算平面橢圓裂紋的臨界尺寸）。如果在對構(gòu)件進(jìn)行探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部裂紋的尺寸小于臨界裂紋尺寸，則盡管材料有內(nèi)部缺陷，但仍能保證使用。
 
3   壓力容器斷裂強(qiáng)度判定準(zhǔn)則
　
    目前在工程設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的不同，形成了以下幾種斷裂判定準(zhǔn)則。
（1）線彈性斷裂準(zhǔn)則-----K準(zhǔn)則
 
對于載荷作用下的含裂紋構(gòu)件，當(dāng)其應(yīng)力強(qiáng)度因子K1達(dá)到材料斷裂韌性K1C時(shí)，材料發(fā)生斷裂。
即                                K1=K1C
 
K1的通用表達(dá)式為；    
       其中   a---- 裂紋深度（毫米）
                Y----裂紋形狀系數(shù)
                   ----當(dāng)?shù)貞?yīng)力（公斤/毫米2）
（2）彈塑性斷裂準(zhǔn)則
a  COD準(zhǔn)則
 COD準(zhǔn)則是以彈塑性理論為基礎(chǔ)的，此準(zhǔn)則比較**、應(yīng)用廣泛的斷裂判定準(zhǔn)則。目前各國已經(jīng)形成多種設(shè)計(jì)規(guī)范和測試標(biāo)準(zhǔn)，使COD方法在工程上得到普遍應(yīng)用，有效地控制了斷裂事故的發(fā)生。我國的CVDA---1984《壓力容器缺陷評定規(guī)范》中給出的判定公式為：    
         
    
   式中         e----屈服區(qū)中的名義應(yīng)變
                  es----材料的屈服應(yīng)變
b  J積分準(zhǔn)則
這是一個(gè)從能量出發(fā)的才準(zhǔn)則。準(zhǔn)則認(rèn)為當(dāng)J積分值達(dá)到某一臨界值J1C時(shí)，材料發(fā)生斷裂。
即           J=J1C
C  通用失效評定曲線
英國中央電力局（CEGB）1986年推出了新R6標(biāo)準(zhǔn)通用失效評定圖。2001年，英國、德國和瑞典等國完成了“歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評定方法”（SINTAP）。代號為BS7910：1999。被稱為歐洲*新評定方法。（參見圖3）
 
              
 
 
                                      圖4  儲瓶內(nèi)壁表面縱向裂紋
對于內(nèi)表面細(xì)裂紋一般是指＞10的裂紋。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)推導(dǎo)得：
 
  式中  p----滅火劑氣體的壓力（公斤/毫米2）
           a----裂紋深度（毫米）
           re 、ri----儲瓶的外徑、內(nèi)徑（毫米）
           w=re-ri------儲瓶的壁厚（毫米）
           F（a/w,re/ri）----修正系數(shù)（見下表）
re/ri
a/w
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.5
0.0
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
0.1
1.06
 
0.99
0.96
0.93
0.91
0.88
0.2
1.22
 
1.03
0.98
0.94
0.88
0.84
0.3
1.48
1.15
1.14
1.03
0.96
0.89
0.83
0.4
1.88
1.40
1.27
1.11
1.00
0.91
0.84
0.5
2.52
1.66
1.42
1.20
1.05
0.94
0.86
0.6
3.59
1.90
1.56
1.28
1.11
0.99
0.86
0.7
5.66
 
1.70
1.39
1.19
1.06
0.97
0.8
9.36
 
1.83
1.51
1.31
1.18
1.08
0.9
31.0
 
2.09
1.75
1.56
1.42
1.32
 
其中 re/ri=1的值是借用了單邊裂紋的值。
對于表面半橢圓裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子公式為：
 
  其中   
　　由于橢圓積分不能直接用初等函數(shù)積分得到，只能展開成臺勞階數(shù)逐項(xiàng)積分，求得近似解。雖然可行但很麻煩。通常用Irwin進(jìn)行了一系列修正后得到的公式：
 
　其中          
　　　　σ----裂紋**處的應(yīng)力值（當(dāng)?shù)貞?yīng)力）
　　　　σ2----材料的屈服極限
　　　　a----裂紋的深度
           c----裂紋長度的一半
 Q值一般叫作形狀校正因子。實(shí)際上Q的值不僅考慮了裂紋形狀的影響，同時(shí)也考慮了塑性區(qū)大小的因素的影響。（見下表）
Q σ/σs
a/2c
0.10
0.20
0.25
0.30
0.40
1.0
0.88
1.07
1.21
1.33
1.76
0.9
0.91
1.12
1.24
1.41
1.79
0.8
0.95
1.15
1.27
1.45
1.83
0.7
0.98
1.17
1.31
1.48
1.87
0.6
1.02
1.22
1.35
1.52
1.90
＜0.6
1.10
1.29
1.43
1.60
1.98
　　對構(gòu)件進(jìn)行斷裂強(qiáng)度計(jì)算通常有以下幾種情況：（1）已知構(gòu)件的裂紋尺寸和材料的斷裂韌性K1C，求構(gòu)件的斷裂強(qiáng)度儲備；（2）已知構(gòu)件的裂紋尺寸和材料的斷裂韌性K1C，求構(gòu)件的臨界斷裂載荷σc；（3）已知構(gòu)件的尺寸和材料的斷裂韌性K1C，求構(gòu)件的臨界裂紋尺寸ac。
 
5  高壓滅火劑儲瓶發(fā)生低應(yīng)力脆斷原因的分析
高壓滅火劑儲瓶發(fā)生低應(yīng)力脆斷的原因比較復(fù)雜。綜合起來主要有以下幾個(gè)方面。
（1）設(shè)計(jì)和加工過程缺乏合理性。高壓滅火劑儲瓶設(shè)計(jì)時(shí)，除按照經(jīng)典的材料力學(xué)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)用斷裂理論對產(chǎn)品進(jìn)行斷裂強(qiáng)度校核，有條件還應(yīng)當(dāng)用CVDA—1984《壓力容器缺陷評定規(guī)范》中給出的公式進(jìn)行斷裂**判定計(jì)算。同時(shí)在選擇材料方面一定要正確、合理。正確選擇材料是保證壓力容器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵和**運(yùn)行的根本保證。一旦選材不當(dāng)，可能導(dǎo)致設(shè)備在低應(yīng)力下發(fā)生脆斷。目前在GB150等國家標(biāo)準(zhǔn)及有效的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國外標(biāo)準(zhǔn)中，盡可能選用成熟的、有類似使用經(jīng)驗(yàn)的材料。并在加工制造前對材料進(jìn)行化學(xué)分析、力學(xué)性能、金相組織等復(fù)檢。若要采用新型材料，必須格外慎重。在產(chǎn)品加工過程中，必須注意不同批次材料成分和機(jī)械性能的變化；嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，特別要避免工件出現(xiàn)夾雜、劃痕、拉傷及未焊透性等。對加工成型的儲瓶，要100%地進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。
（2）疲勞斷裂。高壓滅火劑儲瓶由于使用環(huán)境千差萬別，工作條件比較惡劣，使滅火劑儲瓶長期處于低周疲勞環(huán)境中工作。儲瓶內(nèi)滅火劑氣體的壓力，隨著溫度變化而周期性地升高和降低，這種周期性的變化加大了裂紋的擴(kuò)展速率，形成了材料的疲勞斷裂。金屬材料疲勞斷裂的過程，可以分為形核和裂紋擴(kuò)張兩個(gè)階段。形核過程是由于金屬表面在交變應(yīng)力作用下，表面產(chǎn)生晶?；茙?，形成局部高應(yīng)力區(qū)。在滑移帶兩平行滑移平面之間形成的空洞棱角處或晶粒界面處，形成斷裂裂紋核。在循環(huán)載荷（如溫度或壓力的周期變化）的作用下，裂紋沿晶界面逐漸擴(kuò)大，當(dāng)達(dá)到材料的斷裂極限的瞬間，突然斷裂。
（3）腐蝕斷裂。腐蝕是導(dǎo)致高壓滅火劑儲瓶發(fā)生斷裂的重要原因之一。腐蝕斷裂是指壓力容器金屬材料受到腐蝕介質(zhì)的作用而發(fā)生破壞。腐蝕的形式很多，有均勻腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞等。導(dǎo)致腐蝕斷裂及與之相關(guān)的原因主要有：①設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，局部應(yīng)力集中；②材料選擇不當(dāng)；③制造工藝失控；④未考慮介質(zhì)中的微量雜質(zhì)對材料腐蝕性能的影響；⑤加工操作不當(dāng)，造成表面腐蝕源的產(chǎn)生等。
近年來，國內(nèi)外先后發(fā)生的盛裝一氧化碳、二氧化碳混合氣體儲瓶爆炸事故，多數(shù)是由應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致的容器腐蝕斷裂。經(jīng)過大量的試驗(yàn)證明，這種含有二氧化碳成分的混合氣體，只有在有水分的情況下，才能對鋼材產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕。如果在充裝滅火劑氣體之前，由于各種原因（如清洗瓶內(nèi)污物時(shí)的殘余水汲或因氣溫變化在儲瓶內(nèi)壁形成的露狀水等），造成含有二氧化碳成分的混合氣體滅火劑含有水分，就能導(dǎo)致儲瓶在應(yīng)力腐蝕作用下發(fā)生爆裂。
總之，高壓滅火劑儲瓶發(fā)生斷裂破壞的原因是多種多樣的，而且通常不是某種單一原因造成的，應(yīng)當(dāng)綜合分析考慮。
 
 
參考文獻(xiàn)：
1北京鋼鐵學(xué)院《工程斷裂力學(xué)》 國防工業(yè)出版社
2范天佑《斷裂力學(xué)基礎(chǔ)》江蘇科技出版社
3《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊》科學(xué)技術(shù)出版社
4《壓力容器**監(jiān)察與管理》化學(xué)工業(yè)出版社
5路景志《固體火箭燃燒室斷裂強(qiáng)度計(jì)算》兵工學(xué)報(bào) 1984.第四期