多層加筋球形壓力容器在降低試驗溫度下的斷裂力學(xué)

多層加筋球形壓力容器在降低試驗溫度下的斷裂力學(xué)

S. V. Serikov, Yu. I. Pashko  V. V. Kalugin, V. N. Smirnyagin, and N. A. Zvonarev

摘要：分析了內靜壓載荷作用下球形金屬殼體強度的實(shí)驗研究結果。研究了球形壓力容器在210- 215k試驗溫度下的斷裂特征。

壓力容器根據用途有不同的設計和生產(chǎn)工藝。例如，在工業(yè)上，高強度多層金屬壓力容器[1]的應用越來(lái)越廣泛，取代了單片壁厚度的容器。已知由內金屬層和外聚合物復合層組成的復合高壓容器[2,3]的特征。

使用作為一個(gè)例子一個(gè)球形壓力容器,平均16毫米壁厚和內徑270毫米以下(圖1)被認為是一個(gè)實(shí)驗方法科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題的解決方案的設計和生產(chǎn)修改容器具有可靠性在廣泛的溫度范圍內服務(wù)的內部壓力100 - 120 MPa。該球形容器用于T-800型通用拖拉機的調節壓縮機構。在低溫球墨溫度降低的地區，特別是在北方的條件下，由于低溫對材料性能的特殊影響，通常會(huì )出現一些非傳統的強度問(wèn)題。在一般情況下?眾所周知，溫度的降低導致建筑材料強度的增加，塑性蠕變抗力的變化，以及脆性斷裂抗力的降低[5,6]。

在正常溫度(290-295 K)和降低溫度(210-215 K)下的整體球形容器的流體靜力試驗表明，特別是在降低測試溫度[7]時(shí)，整體球形容器發(fā)生了破碎斷裂。從單片容器到四層容器的變化消除了零以上(290-295 K)使用溫度下的碎裂，但在降低的測試溫度下，碎裂伴隨著(zhù)多層碎片的形成。很明顯，在機械制造的壓力容器的生產(chǎn)中，容器可能發(fā)生的斷裂是非常有實(shí)際意義的。

圖 1. 第一(a)型和第二(b)型多層球形容器的一般形式:1)人孔;2)上半球;3)內圓形密封;4)赤道焊接接頭;5)低半?球體;6)排水孔;7)金屬網(wǎng)格。

 

圖. 2. 在210-215 K的測試溫度下，標記的容器內壓力變化特征為(1)、2s(2)和22(3)，與加載時(shí)間有關(guān)，直到失效(用星號表示)

 

在這項工作中，研究了兩種類(lèi)型的多層球形容器(圖1)。球形容器由兩個(gè)半球通過(guò)赤道焊接連接。上半球焊接了一個(gè)開(kāi)口，用于連接T-800拖拉機的工作部件。多層球形容器的基本區別在于多孔孔的大小及其與上半球的連接。開(kāi)幕式在I型球形容器焊接半球的直徑145皿和第二直徑98毫米。I型容器在每個(gè)半球上有兩個(gè)直徑為5毫米的排水孔，其內層深度為12毫米。

在多層容器的實(shí)驗生產(chǎn)中，對多層容器的材料、半球焊接后的熱處理以及獲得多層薄板的生產(chǎn)方法等參數進(jìn)行了改變。在所有的情況下，半球都是通過(guò)熱拉一個(gè)圓形模具產(chǎn)生的，從一個(gè)多層平面坯料制成的圓盤(pán)形狀，直徑為445毫米，厚度為15.5-17.0毫米，加熱到1270 K。

表 1. 兩種類(lèi)型和熱處理循環(huán)的實(shí)驗多層容器的設計和生產(chǎn)特點(diǎn)

設計中的某些特征是標記為Is、2s、4.2.3、5.2.1的球形容器的特征。例如，標記為Is的四層容器有一個(gè)牢固的金屬網(wǎng)格，其方形開(kāi)口的間距為1.5 mm，直徑為0.3 mm的鋼絲為30KhGSNA鋼。標記為2s的容器由3層4毫米的09G2母材組成，每層都有一個(gè)大開(kāi)口的網(wǎng)格和直徑1.2毫米的20鋼絲。標記為4.2.3的容器由母金屬的五層包制而成，該母金屬以前被熱軋，直到層之間具有表面粘結性為止。對于標記為5.2.1的容器，首先制備五層增強準金屬包。在這種情況下，將熔融金屬澆注在09G2SF基體層之間，然后將包軋制到規定的16毫米厚度.

在試驗中，球形容器在可控溫度室中冷卻到210-215 K，并通過(guò)內部靜水壓力加載直到破裂。以35型防凍劑作為工作液填充容器，其凝固點(diǎn)為190 K。在開(kāi)始用液氮冷卻測試容器之前，它受到內部壓力的控制增壓，最高可達50 MPa，在冷卻劑溫度下保持10分鐘。在容器加載期間，在氣密性喪失之前，內部壓力的變化被記錄在一個(gè)壓力計上。圖2顯示了標記為Is、2s、22的船舶的這種關(guān)系。

表2給出了在容器材料冷卻溫度為210- 215k時(shí)，通過(guò)內壓測試多層球形容器的基本實(shí)驗數據。

標記為4.2.3的五層容器在210-215 K測試溫度下失效。

我們應該注意到，在球形容器破裂后，它們的幾何形狀發(fā)生了扭曲。在這種情況下，在測量失效容器的儀表時(shí)出現了困難?？紤]到可以較準確地測量容器破裂時(shí)的壁厚，由該方程確定了容器材料的最大變形                   

式中，s和分別為原容器的平均壁厚和容器破裂處的最小壁厚。式(1)由斷裂前后容器重量保持條件得到。

根據制造容器的材料的不可壓縮性假設，對于任意變形時(shí)刻的球形容器，我們得到如下等式:

其中，s0和s為初始時(shí)刻和當前時(shí)刻時(shí)原血管的壁厚?？紤]到上述參數的影響，我們確信Eq.(1)的有效性。

定量測定的失效應力為所調查的容器是基于已知的關(guān)系[8]5，在我們的情況下獲得形式

式中R為球形容器的平均半徑。σf的計算值根據等式(2)如表2所示。.

圖3顯示標記為Is的容器在進(jìn)行了內部壓力為126mpa的測試后，沒(méi)有形成強烈的破片就失敗了。斷裂開(kāi)始于焊縫向半球開(kāi)口附近的外層。裂紋出現在容器的整個(gè)外圍，而在內層沒(méi)有觀(guān)察到。另一個(gè)標記為2s的金屬格柵加固容器失效，內部壓力為96 MPa，穿透裂紋長(cháng)度明顯縮短。在調查的6個(gè)I型容器中，只有2個(gè)(標記為12和325的)排水孔出現故障。圖4為測試后標記為12,325和326的四層容器。最后的碎片裂成了八個(gè)獨立的碎片。

在此之前，排水孔并不是在所有情況下都起到積極的作用。起源的裂紋在單一的赤道聯(lián)合(標志326)強烈的卸荷的彈性能量發(fā)生的速度彈性波在金屬[9]和排水孔在這種情況下,不提供的結果產(chǎn)生影響的過(guò)程變化的慣性在壓力容器通過(guò)因此壓力容器的服務(wù)范圍內的高彈性能量?jì)浔砻媾潘吹拇嬖诓⒉荒芟目赡艿乃槠谄茐闹行纬?，在標記?.2.3和5.2.1的II型容器中，由于層中使用增強的準金屬，在降低的測試溫度下，碎片形成強度降低的想法不僅僅是圖5顯示了一個(gè)五層容器的失效，其特征與整體容器相似。

從測試的兩種類(lèi)型的球形容器一定必須優(yōu)先考慮聯(lián)合開(kāi)幕式的半球在I型血管開(kāi)口更大的距離,這就增加了服務(wù)的可靠性，聯(lián)合容器用于高壓[10]的服務(wù)。

因此，為了降低球形壓力容器破壞時(shí)碎片的形成強度，建議使用由30KhGSNA鋼加固的I型四層容器，開(kāi)口尺寸為1.5mm和0.3mm的鉆石。

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