長管拖車氣瓶瓶體裂紋應力分析

孫旭 趙繼瑞

摘? 要：在長管拖車的定期檢驗過程中，發現相當一部分長管拖車氣瓶瓶體存在裂紋性缺陷，為分析裂紋性缺陷對氣瓶安全性能的影響及消除缺陷，對裂紋性缺陷進行了建阿模及應力分析，分析結果對缺陷處應力分布及消除缺陷具有指導意義。

關鍵詞：長管拖車? ANSYS? 裂紋性缺陷

中圖分類號：TH49 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0075-02

長管拖車往來于人口、建筑密集的地區，工作壓力高（工作壓力20MPa），介質易燃易爆，一旦發生事故，將產生巨大的生命、財產損失和惡劣的社會影響[1]，有“流動的炸彈”之稱，為了保障長管拖車安全，保護人民生命和財產安全，促進國民經濟發展[2]，防止事故的發生，中國特種設備檢測研究院自2004年起開始開展長管拖車定期檢驗工作。

在定期檢驗中，通過內外部宏觀檢查、磁粉檢測、超聲檢測及等檢驗檢測手段，發現有部分大容積鋼制無縫氣瓶瓶體有裂紋存在，對長管拖車的安全運行產生隱患。如何對瓶體上存在的裂紋的危害性進行評估，如何徹底消除瓶體裂紋對長管拖車安全運行的影響，是一個亟待解決的問題。該文擬采用有限元分析模擬仿真手段，經過合理的簡化，模擬大容積鋼制無縫氣瓶及瓶體裂紋，假設長管拖車氣瓶在最大工作壓力20MPa下，通過靜態求解，分析出在最大工作壓力20MPa時，瓶體及裂紋處的應力分布，從而為評價裂紋危害性以及如何消除裂紋提供理論依據。

1? 氣瓶參數

長管拖車用大容器鋼制無縫氣瓶尺寸、材料及工作參數如表1所示。

2? 氣瓶建模及分析

為了分析氣瓶裂紋的應力分布，根據表1中相關參數，利用SolidWorks軟件建立理想情況下氣瓶模型，導入ANSYS，設置材料彈性模量EX=200e3MPa，泊松比u=0.3，工作壓力20MPa，以靜態模式求解，讀入求解文件，求解出應力分布分布情況，考慮氣瓶結構的對稱性，通過合理的簡化，從中取氣瓶瓶體1/4進行應力計算。

2.1 無缺陷氣瓶

從模擬結果可以看出，氣瓶從瓶肩部位延伸到直管段部分，應力圖顏色均勻，說明在此區域內，瓶體的應力分布均勻，變化范圍很小，氣瓶瓶體應力分布均勻部位的裂紋，對氣瓶的影響區別很小。在氣瓶瓶頸部位，因此處有明顯的形狀改變，應力有一定的集中，應力值在351MPa左右。應力在瓶體近中心端到瓶體與距瓶肩結合處內一段距離的區域內分布均勻。

2.2 裂紋缺陷氣瓶

應用SolidWorks軟件進行模型建立，在距瓶肩300mm處分別模擬橫向/縱向裂紋，裂紋深度選取設計壁厚的5%，寬度選取0.1mm，長度選取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。

分析結果顯示，對于15mm橫向裂紋，在裂紋的大部分區域，應力分布均勻，約為314～380MPa間;裂紋的最大應力出現在在裂紋的兩端，為450～510MPa之間，局部已經超過700MPa。該橫向裂紋在深度方向的應力分布均勻，但在兩端應力較大，所以該裂紋在長度方向上會有較大的擴展性，建議在不影響瓶體強度的情況下將其打磨。對于35mm橫向裂紋，在裂紋段應力較低，且總體應力分布較為均勻，在裂紋的兩端處，特別是在近內表面的裂紋兩端應力較大，最大達到720MPa。裂紋在深度方向應力集中較小，但在兩端的應力很大，所以該裂紋在長度方向上會有較大的擴展性，建議在不影響瓶體強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。

分析結果顯示，對于15mm縱向裂紋，在裂紋處稍遠離裂紋兩端處應力較低;在裂紋的兩端應力很大;從應力結果分析可知，該裂紋在深度方向應力分布均勻，無集中現象;在裂紋兩端應力集中較為嚴重，說明裂紋在長度方向上有擴展的趨勢，建議在不影響瓶體強度的情況下將其打磨。對于35mm縱向裂紋，，在裂紋處稍遠離裂紋兩端處應力較低;在裂紋的兩端應力很大，屬于應力集中;從應力結果分析可知，該裂紋在深度方向應力分布均與，無集中現象;在裂紋兩端應力集中較為嚴重，說明裂紋在長度方向上有擴展的趨勢，建議在不影響瓶體強度的情況下將其打磨。

3? 結語

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

參考文獻

[1] 劉三江，鄭暉，王勇，等.對長管拖車氣瓶定期檢驗方法的探討[J].中國鍋爐壓力容器安全，2005，21（2）：38-41.

[2] TSG R0005-2011，移動式壓力容器安全技術監察規程[S].