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      多層加筋球形壓力容器在降低試驗溫度下的斷裂力學

      多層加筋球形壓力容器在降低試驗溫度下的斷裂力學

      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工藝。例如,在工業上,高強度多層金屬壓力容器[1]的應用越來越廣泛,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。

      使用作為一個例子一個球形壓力容器,平均16毫米壁厚和內徑270毫米以下(圖1)被認為是一個實驗方法科學和技術問題的解決方案的設計和生產修改容器具有可靠性在廣泛的溫度范圍內服務的內部壓力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,通常會出現一些非傳統的強度問題。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,整體球形容器發生了破碎斷裂。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,碎裂伴隨著多層碎片的形成。很明顯,在機械制造的壓力容器的生產中,容器可能發生的斷裂是非常有實際意義的。

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      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)金屬網格。

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      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),與加載時間有關,直到失效(用星號表示)

       

      在這項工作中,研究了兩種類型的多層球形容器(圖1)。球形容器由兩個半球通過赤道焊接連接。上半球焊接了一個開口,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型容器在每個半球上有兩個直徑為5毫米的排水孔,其內層深度為12毫米。

      在多層容器的實驗生產中,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方法等參數進行了改變。在所有的情況下,半球都是通過熱拉一個圓形模具產生的,從一個多層平面坯料制成的圓盤形狀,直徑為445毫米,厚度為15.5-17.0毫米,加熱到1270 K。

      表 1. 兩種類型和熱處理循環的實驗多層容器的設計和生產特點

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      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的四層容器有一個牢固的金屬網格,其方形開口的間距為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,每層都有一個大開口的網格和直徑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,其凝固點為190 K。在開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壓力計上。圖2顯示了標記為Is、2s、22的船舶的這種關系。

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


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      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,它們的幾何形狀發生了扭曲。在這種情況下,在測量失效容器的儀表時出現了困難??紤]到可以較準確地測量容器破裂時的壁厚,由該方程確定了容器材料的最大變形                   

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      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。

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

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      其中,s0和s為初始時刻和當前時刻時原血管的壁厚??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的容器在進行了內部壓力為126mpa的測試后,沒有形成強烈的破片就失敗了。斷裂開始于焊縫向半球開口附近的外層。裂紋出現在容器的整個外圍,而在內層沒有觀察到。另一個標記為2s的金屬格柵加固容器失效,內部壓力為96 MPa,穿透裂紋長度明顯縮短。在調查的6個I型容器中,只有2個(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合(標志326)強烈的卸荷的彈性能量發生的速度彈性波在金屬[9]和排水孔在這種情況下,不提供的結果產生影響的過程變化的慣性在壓力容器通過因此壓力容器的服務范圍內的高彈性能量儲備表面排水洞的存在并不能消除的可能的碎片在破壞中形成,在標記為4.2.3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顯示了一個五層容器的失效,其特征與整體容器相似。

      從測試的兩種類型的球形容器一定必須優先考慮聯合開幕式的半球在I型血管開口更大的距離,這就增加了服務的可靠性,聯合容器用于高壓[10]的服務。

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


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