多层加筋球形压力容器在降低试验温度下的断裂力学
多层加筋球形压力容器在降低试验温度下的断裂力学
S. V. Serikov, Yu. I. Pashko V. V. Kalugin, V. N. Smirnyagin, and N. A. Zvonarev
摘要：分析了内静压载荷作用下球形金属壳体强度的实验研究结果。研究了球形压力容器在210- 215k试验温度下的断裂特征。
压力容器根据用途有不同的设计和生产工艺。例如，在工业上，高强度多层金属压力容器[1]的应用越来越广泛，取代了单片壁厚度的容器。已知由内金属层和外聚合物复合层组成的复合高压容器[2,3]的特征。
使用作为一个例子一个球形压力容器,平均16毫米壁厚和内径270毫米以下(图1)被认为是一个实验方法科学和技术问题的解决方案的设计和生产修改容器具有可靠性在广泛的温度范围内服务的内部压力100 - 120 MPa。该球形容器用于T-800型通用拖拉机的调节压缩机构。在低温球墨温度降低的地区，特别是在北方的条件下，由于低温对材料性能的特殊影响，通常会出现一些非传统的强度问题。在一般情况下»众所周知，温度的降低导致建筑材料强度的增加，塑性蠕变抗力的变化，以及脆性断裂抗力的降低[5,6]。
在正常温度(290-295 K)和降低温度(210-215 K)下的整体球形容器的流体静力试验表明，特别是在降低测试温度[7]时，整体球形容器发生了破碎断裂。从单片容器到四层容器的变化消除了零以上(290-295 K)使用温度下的碎裂，但在降低的测试温度下，碎裂伴随着多层碎片的形成。很明显，在机械制造的压力容器的生产中，容器可能发生的断裂是非常有实际意义的。
图 1. 第一(a)型和第二(b)型多层球形容器的一般形式:1)人孔;2)上半球;3)内圆形密封;4)赤道焊接接头;5)低半¬球体;6)排水孔;7)金属网格。
图. 2. 在210-215 K的测试温度下，标记的容器内压力变化特征为(1)、2s(2)和22(3)，与加载时间有关，直到失效(用星号表示)
在这项工作中，研究了两种类型的多层球形容器(图1)。球形容器由两个半球通过赤道焊接连接。上半球焊接了一个开口，用于连接T-800拖拉机的工作部件。多层球形容器的基本区别在于多孔孔的大小及其与上半球的连接。开幕式在I型球形容器焊接半球的直径145皿和第二直径98毫米。I型容器在每个半球上有两个直径为5毫米的排水孔，其内层深度为12毫米。
在多层容器的实验生产中，对多层容器的材料、半球焊接后的热处理以及获得多层薄板的生产方法等参数进行了改变。在所有的情况下，半球都是通过热拉一个圆形模具产生的，从一个多层平面坯料制成的圆盘形状，直径为445毫米，厚度为15.5-17.0毫米，加热到1270 K。
表 1. 两种类型和热处理循环的实验多层容器的设计和生产特点
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设计中的某些特征是标记为Is、2s、4.2.3、5.2.1的球形容器的特征。例如，标记为Is的四层容器有一个牢固的金属网格，其方形开口的间距为1.5 mm，直径为0.3 mm的钢丝为30KhGSNA钢。标记为2s的容器由3层4毫米的09G2母材组成，每层都有一个大开口的网格和直径1.2毫米的20钢丝。标记为4.2.3的容器由母金属的五层包制而成，该母金属以前被热轧，直到层之间具有表面粘结性为止。对于标记为5.2.1的容器，首先制备五层增强准金属包。在这种情况下，将熔融金属浇注在09G2SF基体层之间，然后将包轧制到规定的16毫米厚度.
在试验中，球形容器在可控温度室中冷却到210-215 K，并通过内部静水压力加载直到破裂。以35型防冻剂作为工作液填充容器，其凝固点为190 K。在开始用液氮冷却测试容器之前，它受到内部压力的控制增压，最高可达50 MPa，在冷却剂温度下保持10分钟。在容器加载期间，在气密性丧失之前，内部压力的变化被记录在一个压力计上。图2显示了标记为Is、2s、22的船舶的这种关系。
表2给出了在容器材料冷却温度为210- 215k时，通过内压测试多层球形容器的基本实验数据。
标记为4.2.3的五层容器在210-215 K测试温度下失效。
我们应该注意到，在球形容器破裂后，它们的几何形状发生了扭曲。在这种情况下，在测量失效容器的仪表时出现了困难。考虑到可以较准确地测量容器破裂时的壁厚，由该方程确定了容器材料的最大变形
式中，s和分别为原容器的平均壁厚和容器破裂处的最小壁厚。式(1)由断裂前后容器重量保持条件得到。
根据制造容器的材料的不可压缩性假设，对于任意变形时刻的球形容器，我们得到如下等式:
其中，s0和s为初始时刻和当前时刻时原血管的壁厚。考虑到上述参数的影响，我们确信Eq.(1)的有效性。
定量测定的失效应力为所调查的容器是基于已知的关系[8]5，在我们的情况下获得形式
式中R为球形容器的平均半径。σf的计算值根据等式(2)如表2所示。.
图3显示标记为Is的容器在进行了内部压力为126mpa的测试后，没有形成强烈的破片就失败了。断裂开始于焊缝向半球开口附近的外层。裂纹出现在容器的整个外围，而在内层没有观察到。另一个标记为2s的金属格栅加固容器失效，内部压力为96 MPa，穿透裂纹长度明显缩短。在调查的6个I型容器中，只有2个(标记为12和325的)排水孔出现故障。图4为测试后标记为12,325和326的四层容器。最后的碎片裂成了八个独立的碎片。
在此之前，排水孔并不是在所有情况下都起到积极的作用。起源的裂纹在单一的赤道联合(标志326)强烈的卸荷的弹性能量发生的速度弹性波在金属[9]和排水孔在这种情况下,不提供的结果产生影响的过程变化的惯性在压力容器通过因此压力容器的服务范围内的高弹性能量储备表面排水洞的存在并不能消除的可能的碎片在破坏中形成，在标记为4.2.3和5.2.1的II型容器中，由于层中使用增强的准金属，在降低的测试温度下，碎片形成强度降低的想法不仅仅是图5显示了一个五层容器的失效，其特征与整体容器相似。
从测试的两种类型的球形容器一定必须优先考虑联合开幕式的半球在I型血管开口更大的距离,这就增加了服务的可靠性，联合容器用于高压[10]的服务。
因此，为了降低球形压力容器破坏时碎片的形成强度，建议使用由30KhGSNA钢加固的I型四层容器，开口尺寸为1.5mm和0.3mm的钻石。
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