1.1引言

随着我国经济的迅速发展和工业的进步，压力容器已经广泛的用于石油、化工等工业部门以及日常生活当中。一般压力容器在工作压力作用下储存着很大的能量, 一旦失效产生爆破, 后果是灾难性的。针对压力容器的爆破失效研究一直都在进行中, 尤其是分析设计规范的提出和施行, 对容器的爆破压力研究更显重要。因而对厚壁圆筒进行研究分析其破坏过程非常有必要^[17]，考虑其各种缺陷的影响，预测其爆破过程，尽量减少突然爆破造成的危险，使容器能未爆先漏，推动LBB准则^[19]广泛应用。同时为高压容器的设计提供参考，研究各个准则的适用条件和预测结果的准确性，并且进行修正，精确的爆破压力计算值可以降低爆破失效设计准则的安全系数, 提高设计精度, 从而减少材料用量, 减轻容器重量，推动厚壁高压容器的快速发展^[1,3]。

ANSYS是一个通用的，大型的并以有限元分析为基础的CAE(Computer#8212;aided Engineering)软件，它具有极为强大的前后处理及计算分析能力。通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的未知量^[4]。通过常规的爆破试验获得承压设备的塑性破坏载荷#8212;爆破压力，需要消耗大量的人力和财力，有时受试验条件的限制，无法由试验获得承压设备的爆破压力^[5,29,30]。采用有限元分析软件ANSYS 对无缺陷厚壁圆筒进行弹塑性有限元分析，可获得爆破压力^[6]。同时应用ANSYS对厚壁圆筒爆破过程进行数值模拟，创建结构模型，能使结果准确的反映圆筒破坏过程的真实情况。

1.2试验原理

1.2.1厚壁圆筒的典型爆破试验过程

爆破是指表面裂纹在载荷或载荷加腐蚀的作用下沿壁面方向扩展．在穿透壁厚前或穿透壁厚不久壁面方向裂纹达到失稳扩展临界长度而发生容器或圆筒的快速整体破坏^[18]。厚壁圆筒破坏属于超强度破坏, 即容器因超压或壁厚大面积减薄而发生显著塑性变形后破坏。以20号管材为例, 其爆破失效的力学特性有以下几个阶段: 弹性变形阶段、屈服阶段、塑性变形阶段、爆破阶段^[7]。当材料出现塑性大变形时, 材料强化而承载能力上升的影响与塑性变形材料减薄而使承载能力下降的影响相抵消, 材料无法增加承载能力, 即爆破失效。对于压力容器, 筒体承受内压超过屈服极限之后, 产生塑性变形, 但由于器壁材料应变硬化,反而相应的提高了承载能力, 即使筒体达到整体屈服, 全部塑性, 也不能认为容器就已失效。因为筒体壁厚较大, 材质具有良好的塑性和明显的应变硬化特性,能够阻止材料的塑性流动。只有当压力增大到某一定值时, 由于变形加大, 使容器减薄, 承载能力降低,筒体才发生爆破^[8]。这就是爆破失效准则的理论基础, 也是爆破压力预测的理论依据。

1.2.2屈服应力值计算^[2]

（1）屈服应力

(1)

（2）全始屈服应力(材料为理性弹塑性)

(2)

1.2.3爆破压力值的理论计算^[2]

承受内压的高压筒体，其爆破压力计算方法有如下几种。

（1） Faupel公式

(3)

（2） 中径公式

(4)

（3） 最大主应力理论

(5)

（4） 最大线应变理论

(6)

（5） 最大剪应力理论

(7)

（6） 最大变形能理论

(8)

1.3厚壁圆筒爆破研究情况

1.3.1低碳钢爆破公式研究^[1,24]

郑传祥等在大量Q235-A 和20R 等低碳钢类容器爆破试验的基础上, 对低碳钢类压力容器的爆破压力进行统计分析后, 对原有的爆破压力估算公式Faupel 公式进行修正, 得到更符合实验值的计算公式,该公式对于低碳钢具有一定的通用性。而本次试验采用20号钢，可以采用这个公式作为计算爆破压力的标准之一。

(9)

1.3.2厚壁圆筒的弹塑性应力分析

厚壁圆筒经自增强处理后之所以能够提高其承载能力和疲劳寿命，是因为在圆筒内表面一定区域内形成了有利的残余应力。所谓自增强处理原理是对圆筒内表面施加压力使其产生一定的塑性变形，当内压卸除后，圆筒内表面就会产生径向和切向的拉伸压缩残余应力。当其工作时，这部分残余应力就会抵消一部分圆筒内表面压力，从而达到提高其弹性强度极限和疲劳寿命的目的。因此，控制残余应力的大小，掌握其分布规律，是自增强处理技术的关键^[9]。迄今为止，国内外有许多学者对自增强厚壁圆筒残余应力分布规律进行过研究，基于不同的材料屈服准则、流动准则、强化准则及Bauschinger效应准则，提出过多种不同的力学和数学模型。对于求解精度有一定改进，但其求解过程非常复杂。另一方面，部分材料的塑性和韧性较强，物体出现永久变形到最终破坏之间仍具有承受载荷的能力。自紧压力太大，圆筒的残余应力就会过大，导致圆筒长时间处于高应力状态，这样圆筒容易产生裂纹及脆性断裂，影响圆筒工作安全性；太小又不能满足强度要求，这就需要在找到一个圆筒最佳自紧压力要使的其工作时沿壁厚方向分布应力尽量均匀，通过ANSYS的APDL语言可以非常方便的进行多载荷步加载，多次重复计算，从而预测出最佳的自紧压力^[10]。

1.3.3影响爆破压力的因素

（3）形状。其实除筒体外其他管件对试验也有影响，但是本课题采用厚壁圆筒的无缝钢管结构，暂时不考虑其影响。

（4）加工质量。试件只有一个通道进行加压，其他的通道都要封死，焊接质量和焊后热处理都会影响爆破压力。本实验爆破试件采用20号^[30]无缝钢管加工而成^[17]，采用平封头密封。

1.3.4腐蚀缺陷

（1）非线性有限元法预测腐蚀管道失效压力

腐蚀造成的直接后果是管道壁厚减薄，当腐蚀发展到一定程度时，就会造成管道局部穿孔或破裂，从而发生大面积泄漏。因此，对于发生了腐蚀的管线，必须对其剩余强度进行评估^[25,27]。腐蚀管道的破坏机理一般是爆破失效，在爆破失效压力的基础上考虑一定的安全裕度，即根据不同的安全等级乘以合适的设计系数，就可以得到缺陷管道能承受的安全压力。因此，爆破失效分析是缺陷管道剩余强度评价的基础^[13]。采用非线性有限元法建立含缺陷管道爆破失效的数值模型^[14]，以此预测腐蚀缺陷管道的失效压力。分析模型中的单元划分、材料模式、非线性求解方法、失效判据等技术要点，对不同管材、规格以及缺陷尺寸的全尺寸管道爆破试验结果进行分析和计算^[26]，验证所建模型的准确性。基于有限元计算结果，同时考虑缺陷长度、深度、宽度等因素的影响^[15]，拟合出含缺陷管道的失效压力预测公式，与其他方法以及试验结果相比，该公式计算误差较小。

(10)

(2)含缺陷管道进行有限元模拟^[16]

对含缺陷管道进行有限元模拟时，要求 ：① 合理构造和简化模型。由于缺陷形状复杂，分析过程中需要进行简化，但是简化的效果会对失效压力产生一定的影响。在简化过程中，应尽量避免引入新的影响因素，如应力集中等。② 合理的离散化。合理的离散也就是划分网格单元，采用不同的单元形式描

述实体的准确性也不相同。并且，采用不同的单元形式，计算的精度也会有差异。网格划分并非越细越好。过细则计算成本过大；过粗则描述实体不理想，计算结果误差大，所以只要准确表达模型形状即可。

1.3.5”破前漏”准则

所谓先漏后爆(LBB)^[19]是指表面裂纹穿透壁厚，所以流体发生泄漏，但壁厚方向仍有足够的余度，以便检查发现并及时停工，避免由于快速整体破坏而引起的灾难性事故。爆破压力是由于裂纹穿透容器壁^[22]之后沿长度方向扩展的临界压力决定的,泄漏压力是裂纹沿深度方向扩展时由韧带的屈服撕裂所需要的极限压力决定的,前者与后者之比大于1,则泄漏失效,若该比值小于1则爆破失效^[21]。”破前漏”准则正确地预测了实验容器的失效方式。

材料韧性较好的表面裂纹压力容器在静压爆破实验中, 裂纹总是先沿深度方向扩展、韧带屈服,最后才会沿长度方向扩展。安徽建筑工业学院周道祥^[20]提出了”破前漏”准则:若表面裂纹容器极限失稳压力Pu 要大于相应穿透裂纹的脆断压力Pc则会发生爆破失效；而表面裂纹容器极限失稳压力Pu 小于相应穿透裂纹的脆断压力Pc 泄漏失效。

1.4参考文献

[1] 郑传祥,文棋.低碳钢压力容器爆破试验及爆破压力公式研究[J].试验研究. 2002，19(9)，9-12.

[2] 郑津洋等.过程设备设计[M].北京:化学工业出版社, 2012.

[7] A. K. Brown, W. A. Mak, M. W.Whitmore. Areview of United Nations Tests for Explosivity [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries 13 (2000): 33-39.

[8] He Fengman, Tong Zheng, Wang Ning, Hu Zhiyong. Explosive Forming of Thin-wall Semi- spherical Parts [J] , Material Letters,45 (2000),133-137.

[24] 陈志平，黄载生.超高压容器爆破压力计算式及其工程应用[J].化工设备设计， 1992，25，23-26.