基于有限元分析方法的儲罐復合材料涂層修復評估技術

韓新宇

摘 ? 要：復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優化組合而成的新材料。由于其優異的性能，廣泛應用于國防工業、航空航天、精密制造、電子芯片等高技術行業。復合材料涂層是作為承力結構使用的一種特殊復合材料。復合材料的各向異性和非線性特性使得傳統方法對材料的模擬和評估十分困難。本文依托某儲罐腐蝕修復項目，利用非線性有限元技術，建立了復合材料涂層理論和數值模型，完成了涂層修復結構的安全裕度和極限強度。目前該項目運行平穩，相關技術在國內具有領先水平。

關鍵詞：復合材料 ?儲罐修復 ?非線性有限元 ?數值模擬 ?安全裕度 ?極限強度

中圖分類號：TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0103-02

復合材料是由一種以上具有不同性質的材料構成的，其主要優點是具有優異的材料性能。復合材料具有比強度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性以及材料性能可設計的特點。復合材料可用于飛機機翼、尾翼，發動機機匣、葉片等結構設計，也是用于壓力容器、風力發電葉片等民用結構的先進材料。

1 ?薄壁復合材料的剛度和柔度矩陣

2 ?有限元復合材料分析技術

在經典的有限元程序中，復合材料可以使用各向異性單元來模擬，此外還有專門的分層單元（Layer Element）來模擬層和結構的復合材料。

ANSYS Composite PrepPost（ACP）是集成于ANSYS Workbench環境的全新的復合材料前/后處理模塊。可以與ANSYS其它模塊實現數據的無縫連接，在處理層壓復合材料結構方面具有強大的功能。ACP具有強大的結果后處理，可獲得各種分析結果如層間應力、應力、應變、最危險的失效區域等，還能夠實現多方案的分析對比等。

ACP提供了豐富的復合材料失效分析方法和準則。

（1）計算每一層的危險系數（IRF），安全系數（RF）和安全范圍（MOS）;

（2）失效模式任意組合;

（3）最大應力準則，最大應變準則，Tsai-Hill準則，Tsai-Wu準則，Hashin準則，LaRC準則和Cuntze準則;

（4）二維和三維的UD和編織材料的PUCK準則;

（5）三明治結構的內核失效和面板折皺失效。

（6）多工況組合

3 ?項目背景

某平臺上鋼質撇油器和浮選器各三臺，由于防腐措施不當，造成局部地方腐蝕，壁厚由22mm降到3.7～4.8mm左右。因此制定加強修復方案：在腐蝕區域外表面刷貝爾佐納1111涂漆，烘干后形成具有一定厚度和強度的粘結層，共同參與罐壁承載，增加罐壁強度。貝爾佐納1111，雙組分糊劑級涂層系統，以硅鋼合金為基礎，混合有高分子量反應性聚合物和低聚物。固化后可完全機械加工。該涂層為非金屬高分子復合材料，與鋼鐵有較大區別，能夠保證修復結構的剩余強度和使用壽命。涂層材料力學性能數據由廠家提供。

4 ?有限元建模和計算

4.1 建模和基本假定

建立儲罐模型基本方法：對于非涂層罐壁處，采用鋼的本構關系和材料屬性，并扣除腐蝕厚度。對于涂層加強區域，假定涂層與鋼質罐壁緊密粘合，無相對滑移，共同參與變形，可將其等效為成層復合材料，利用ANSYS的分層單元（Layer Element）來模擬，分別賦予鋼材和涂層的材料屬性。儲罐為壓力容器結構，鋼質罐壁可能發生屈服失效。涂層材料極限拉壓強度失效。

經過初步評估，篩選出儲罐最危險的兩個區域（壁厚最薄和面積最大）并模擬，同時儲罐承受0.143 MPa操作壓力，并在支座處約束。

4.2 軟件計算結果

軟件計算結果包括位移和應力，最大位移為1.2494mm，應力結果匯總如表1所示。

校核UC值匯總如表2。

4.3 手工校核結果

對于軟件無法校核的涂層粘結應力校核，則采用手工校核。結果顯示結構強度和涂層粘結強度滿足要求，如表3所示。

5 ?結語

本項目的成功實施證明了有限元分析結果的合理和正確性，基于目前條件下的基礎數據和假定條件，通過對儲罐和涂層有限元模擬，分析結構強度和粘結強度，可以得到如下幾條結論：

（1）在目前狀態下，儲罐和涂層有足夠的強度承受0.143MPa的操作壓力。

（2）在目前狀態下，如果腐蝕區域內鋼制罐壁失效，儲罐和涂層仍有足夠的強度和粘結力承受0.143MPa的操作壓力。

（3）在目前狀態下，如果腐蝕區域內鋼制罐壁失效，腐蝕區域會出現較大變形（最大約25.156mm），可能會影響儲罐的正常使用狀態。

同時結合分析結論，給出以下幾條使用建議。

（4）嚴格控制儲罐操作壓力在0.143MPa下，而不是原設計壓力下。

（5）涂層半徑建議超過腐蝕半徑200mm及以上，厚度超過原壁厚5mm及以上。

（6）做好日常使用監測和定期腐蝕厚度、涂層狀態等檢測，及時反映儲罐運行狀態。

（7）做好剩余壽命評估工作，保證儲罐在使用期內有足夠的剩余壽命。

目前國內針對高分子復合材料涂層修復效果評估技術研究較少，應用也較少，希望本文的研究成果能夠為國內高分子復合材料涂層修復效果評估提供借鑒意義。

參考文獻

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