斷裂力學(xué)理論下壓力容器缺陷檢測

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1、斷裂力學(xué)理論下壓力容器缺陷檢測 　　1 壓力容器缺陷的產(chǎn)生　　　　壓力容器的設(shè)計安全技術(shù)普遍較高，在正常使用的情況下，容器所受壓力均在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，即使是采用超聲探傷發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷的容器，絕大多數(shù)都能夠正常安全地運行。 　　壓力容器的主要功能是在一定壓力的環(huán)境下存儲介質(zhì)，即使介質(zhì)中含有微量的有害成分，也會對容器材料的腐蝕、破壞起到?jīng)Q定性的作用。例如液態(tài)烴中的微量硫化氫、自來水介質(zhì)中的微量氯和氧，都會引起容器的材料的表面氧化層產(chǎn)生破壞，發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展就會產(chǎn)生裂紋。 　　在壓力容器的制造和使用過程中，裂紋是幾種缺陷中隱

2、蔽性最高、破壞性較大的一類，這類缺陷往往發(fā)生在焊縫的應(yīng)力集中處，例如咬邊、密集氣孔、夾渣等。人們一般認(rèn)為，在結(jié)構(gòu)中的缺陷造成應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，則脆性斷裂的危險越大，危害也就越嚴(yán)重[1]. 　　2 斷裂力學(xué)理論及判據(jù)　　　　需要通過超聲探測才能發(fā)現(xiàn)，但是在裂紋擴展的初期儀器設(shè)備幾乎很難探測到，而小裂紋在長期的使用過程中，會出現(xiàn)穩(wěn)定的增長，最終達(dá)到許用的臨界值，發(fā)生脆性斷裂。 　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強度安全的計算判據(jù)是 σ　　2.1 線彈性斷裂力學(xué)理論及判據(jù)　　　　線彈性斷裂力學(xué)是用彈性力學(xué)中的線彈性理論對裂紋體進(jìn)行力學(xué)分析，并采用由此求得的應(yīng)力強度因子、能量釋放率等特征參量作為判斷裂紋擴展規(guī)律的準(zhǔn)

3、則。這種理論可以用來解決大型構(gòu)件和脆性材料的平面應(yīng)變斷裂問題，如果裂紋尖端附近的塑性變形區(qū)比較小時，也可以采用斷裂力學(xué)進(jìn)行分析。【1】 　　　　當(dāng)材料的中心出現(xiàn)穿透裂紋，在遠(yuǎn)場拉應(yīng)力作用下裂紋張開，若板狀樣品很薄時可以將其考慮為平面應(yīng)力問題，若板狀樣品很厚時則考慮為平面應(yīng)變問題。圖1表示的是一張"無限大";平板，壁厚可以忽略不計，考慮為平面的應(yīng)力問題。在材料中心處有一長為 2a 的裂紋，受與裂紋面相垂直的拉應(yīng)力 σ 作用，按線彈性斷裂力學(xué)進(jìn)行分析，可以得到裂紋尖端的應(yīng)力分量：【2】 　　　　上式表明，裂紋前沿應(yīng)力場都和 KI有關(guān)，裂紋前端任意一點的應(yīng)力分量完全由 KI決定。也就是說

4、 KI控制了應(yīng)力場的"強度";,所以通常稱 KI為"應(yīng)力強度因子";.應(yīng)力強度因子控制著裂紋尖端應(yīng)力場強度，兩者之間為正相關(guān)，因此應(yīng)力強度因子可以用來描述裂紋尖端附近應(yīng)力場強度。 　　Irwin 通過一系列實驗的結(jié)果，統(tǒng)計得到了 KI的臨界值，在平面應(yīng)變條件下，這種臨界值被記為 KIC,它代表材料阻滯裂紋擴展的一種特性，被稱作"斷裂韌性";.大量實驗表明，當(dāng)KI> KIC時，裂紋開始發(fā)生初始的擴展，此為線彈性斷裂力學(xué)的判據(jù)。 　　2.2 彈塑性斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ)　　　　不同于線彈性斷裂力學(xué)理論，彈塑性斷裂力學(xué)適用于裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸已接近甚至超過裂紋尺寸的情況[3],根據(jù)研究對象不同，主要

5、分為 J 積分理論和 COD 理論。 　　2.2.1COD 理論　　　　COD（Crack Opening Displacement）就是裂紋尖端的張開位移量，通常用 δ 表示，其基本思路是把材料受到載荷時的裂紋尖端的張開位移 δI 作為一個參量，建立這個參量和外加應(yīng)力與裂紋長度的關(guān)系，計算出彈塑性加載荷時裂紋尖端的張開位移 δI.然后把材料起裂時的 δIC 值作為材料的彈塑性斷裂韌度指標(biāo)，最后利用 δI 與 δIC 的關(guān)系判定結(jié)構(gòu)是否起裂。 　　裂紋頂端張開位移值（COD）是表征裂紋頂端塑性應(yīng)變的一種度量[4],CO

6、D 理論主要是從裂紋周圍的應(yīng)力、應(yīng)變出發(fā)，參考裂紋頂端張開位移，進(jìn)行大范圍屈服問題處理的理論，在中、低強度鋼的焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的的斷裂的安全分析中得到了廣泛的應(yīng)用。 　　狹義上講，COD 基本理論有兩種，一種建立在 D-B 模型的基礎(chǔ)上，用于描述部分屈服條件下的 COD.D-B 模型主要用于中低強度鋼制造而成的壓力容器或者管道，但是在具體應(yīng)用當(dāng)中還需要進(jìn)行鼓脹效應(yīng)、等效貫穿裂紋換算以及材料硬化的修正。另一種理論是由 Wells 提出，主要是用經(jīng)驗公式進(jìn)行描述完全屈服條件下的 COD. 　　2.2.2J 積分理論　　　　COD 理論是一種經(jīng)驗方法，并不是一個直接且嚴(yán)密的參量，對裂紋尖端張開

7、位移的分析計算的都是很困難的，所以美國一位教授 Rice 從系統(tǒng)的能量守恒的角度提出了一個既能用于描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的強度，又方便進(jìn)行理論計算的參量J積分。 　　J 積分概念明確、理論嚴(yán)密，對線彈性與彈塑性條件下的斷裂分析都適用，所以在壓力容器缺陷安全評定中得到廣泛的運用。J 積分理論裂紋失穩(wěn)擴展判據(jù)是通過含缺陷壓力容器由于外載荷作用產(chǎn)生的斷裂推動力和壓力容器材料的抗斷裂阻力比較得到的?！?】 　　　　式中，c表示裂紋下表面某點到裂紋上表面某點的簡單積分，W 表示彈性應(yīng)變能密度；T 為積分回路的張力分量；u 為回路的位移分量。 　　在彈塑性斷裂分析中，我們可以使用 J 積分作為參

8、量，建立起相應(yīng)的斷裂判據(jù)： .此判據(jù)適用于彈性、彈塑性和全塑性的情況。 　　3 壓力容器失效評定圖　　　　對于壓力容器的缺陷驗證，我國多采用 COD 方法，即斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變值的組合達(dá)到臨界值。由于含缺陷構(gòu)件的失效必須滿足含缺陷構(gòu)件的塑性失穩(wěn)載荷大于外加載荷，斷裂韌度大于應(yīng)力強度因子兩種判據(jù)，從而導(dǎo)出了基于塑性失穩(wěn)與線彈性斷裂兩種判據(jù)的不同機理的曲線圖。失效評定圖技術(shù)（FAD）最早是英國 CEGB 的 Harrison 提出來的，并編制出了 R6 評定規(guī)范第 1 版，這種曲線圖就是以 COD 理論為基礎(chǔ)的失效評定圖，由英國中央電力局提出，被稱為舊版本 R6 評定圖技術(shù)，如圖3-1 所示。

9、【4】 　　　　J 積分是力學(xué)、工程研究界內(nèi)公認(rèn)的科學(xué)的判定彈塑性斷裂參量，在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。它可用于評定裂紋體起裂、分析裂紋體撕裂過程、撕裂失穩(wěn)的評定。雖然 R6 評定圖是由英國專家提出，但是 J 積分的失效評定曲線是美國學(xué)者提出來的，從而引起 R6 第 3 次修訂版的出現(xiàn)[5],即目前使用的通用失效評定圖，如圖 3-2 所示。【5】 　　　　4 結(jié)語　　　　近年來，我國的工業(yè)水平得到了很大的提升，各種先進(jìn)的技術(shù)和方法不斷的在工業(yè)生產(chǎn)制造中得到應(yīng)用。但是在工業(yè)生產(chǎn)中，加工的材料不可避免地會出現(xiàn)各種裂紋、缺陷，斷裂力學(xué)理論在常規(guī)的設(shè)計中的普遍使用具有很好的意義。通過不同理論方式的計算，得到的相應(yīng)的評價指標(biāo)，再通過相應(yīng)的判據(jù)或者失效評定圖進(jìn)行比較，就能夠在設(shè)計初期得到一個有參考價值的數(shù)據(jù)，避免了后期因為缺陷的產(chǎn)生而使得產(chǎn)品提前失效，造成不必要的人力財力的浪費。 　　參考文獻(xiàn)： 　　[1] 李明奎 . 焊接缺陷對結(jié)構(gòu)的影響及其防治措施 [J]. 黑龍江科技信息 ,2010（16）：22.　　[2]康穎安。斷裂力學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版 ），2006,16（1）：39-42.