圓柱殼內(nèi)曲面橢圓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值計(jì)算

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.中國(guó)石化股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430082）

圓柱殼內(nèi)曲面橢圓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值計(jì)算

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.中國(guó)石化股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430082）

采用節(jié)點(diǎn)法，在裂紋前沿設(shè)置三維奇異單元，建立了求解圓柱殼內(nèi)埋曲面橢圓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的斷裂力學(xué)有限元模型.對(duì)裂紋前沿各點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了分析，得出了應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化曲線并確定了最大應(yīng)力強(qiáng)度因子所在位置為出現(xiàn)氫腐蝕分層現(xiàn)象的化工設(shè)備的安全評(píng)估提供了重要的依據(jù).

氫腐蝕；節(jié)點(diǎn)奇異單元；曲面橢圓裂紋；應(yīng)力強(qiáng)度因子；有限元法

0 引 言

某石化公司在設(shè)備檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)一換熱器的殼體內(nèi)表面多處存在著交叉裂紋，裂紋處的表面有突起現(xiàn)象，如圖1所示.將此處取樣并沿厚度方向剖開，發(fā)現(xiàn)在殼體中面附近已產(chǎn)生嚴(yán)重的分層情況，如圖2所示.由于石化行業(yè)許多設(shè)備處于濕硫化氫環(huán)境中，會(huì)發(fā)生氫腐蝕破壞：氫進(jìn)入鋼中與碳結(jié)合生產(chǎn)甲烷，甲烷氣體的聚集會(huì)在局部產(chǎn)生很大壓力從而造成殼體分層［1－2］，圖2所示的情況就是氫腐蝕引起的分層現(xiàn)象.為便于對(duì)這種氫腐蝕分層現(xiàn)象進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，可將其簡(jiǎn)化為殼體壁厚方向中面內(nèi)的曲面橢圓形裂紋，如圖3所示.從換熱器殼體取樣試件看到，隨著中面處橢圓裂紋面的增大，筒體的內(nèi)表面發(fā)生突起現(xiàn)象，內(nèi)表面上的交叉裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展并引起材料的失效，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行.當(dāng)設(shè)備內(nèi)裝有易燃易爆的介質(zhì)時(shí)，一旦發(fā)生失效，就會(huì)引發(fā)非常嚴(yán)重的安全事故.

目前國(guó)內(nèi)外主要是從材料失效方面來研究氫腐蝕問題［3－5］，采用斷裂力學(xué)分析方法進(jìn)行研究的較少［6］，特別是對(duì)圓柱殼內(nèi)埋曲面橢圓裂紋的研究還未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.應(yīng)力強(qiáng)度因子是斷裂力學(xué)里最重要的參數(shù)之一，它是判斷含宏觀裂紋體在載荷作用下是否發(fā)生裂紋擴(kuò)展的主要參量.對(duì)于三維曲面裂紋問題，其應(yīng)力強(qiáng)度因子的分析比二維裂紋問題難得多［7－10］，到現(xiàn)在還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的解析解.因此，通過在裂紋尖端設(shè)置奇異單元建立了三維曲面橢圓裂紋的有限元分析模型，對(duì)裂紋前沿各處的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了應(yīng)力強(qiáng)度因子沿裂紋前沿的變化曲線.

圖1 換熱器內(nèi)表面產(chǎn)生的裂紋Fig.1 The crack developed on the inner on surface of heat exchanger

圖2 內(nèi)表面裂紋處厚度方向剖面情況Fig.2 The section of thickness-direction the inner surface crack

圖3 換熱器殼體分層現(xiàn)象簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 The simplified schematic drawing of layered heat exchanger shell

1 三維曲面橢圓裂紋的有限元建模

對(duì)于二維裂紋有限元分析軟件可以自動(dòng)生成奇異單元，而對(duì)于三維裂紋其奇異單元必須手動(dòng)生成.建模時(shí)采用自下而上的建模方法，先建立節(jié)點(diǎn)，再由節(jié)點(diǎn)連接生成單元.由于換熱器殼體氫腐蝕引起的分層現(xiàn)象產(chǎn)生的曲面橢圓裂紋的幾何模型和受力分布在空間上均呈對(duì)稱性，故只用建立殼體有限元分析模型，如圖4所示.根據(jù)試件的解剖情況，橢圓裂紋長(zhǎng)半軸為45 mm，短半軸在YOZ面上的投影長(zhǎng)30 mm，殼體外徑為1 200 mm，殼體壁厚為14 mm.

1.1 建立裂紋尖端處奇異單元

1.2 裂紋開裂面的模擬及整體模型的生成

如圖6所示，有限元模型在開裂處有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間位置相同但沒有被連在一起，是相互獨(dú)立的，并分別屬于上下兩邊的單元，這樣有限元模型在受載荷的作用時(shí)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)沿開裂面裂開，由此來模擬裂紋的開裂.中心點(diǎn)及其左邊的單元是不開裂的，在這里共用一個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖5 裂紋尖端奇異單元Fig.5 Singular element of the crack tip

圖6 裂紋尖端的開裂面Fig.6 Cracking surface of the crack tip

建立裂紋尖端的奇異單元后，就能很快完成整個(gè)模型，如圖7所示.

2 模型求解

2.1 施加邊界條件

有限元分析中采用材料的機(jī)械性能為：彈性模量E＝2×105MPa，泊松比為μ＝0.3.

位移邊界條件：假設(shè)模型在X、Y、Z三個(gè)方向的位移分別用u、v、w表示.如圖4所示，在面1和面2上v＝0，在面3上w＝0.

力邊界條件：在筒體內(nèi)表面施加1.6 MPa的內(nèi)壓，筒體端面（見圖4）上施加24 MPa的拉應(yīng)力，在橢圓裂紋面上分別施加30 MPa、40 MPa、50 MPa和60 MPa四種情況的壓力.加載后的模型開裂情況，如圖8所示.

圖8 換熱器殼體開裂圖Fig.8 The cracked heat exchanger shell

2.2 計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子

施加邊界條件求解后，就可以得到裂紋前沿各處的應(yīng)力強(qiáng)度因子，如表1所示，其中θ為橢圓裂紋前沿上一點(diǎn)在YOZ平面內(nèi)與Z軸的夾角（如圖4所示）.根據(jù)表1的結(jié)果可以作出橢圓裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化曲線圖，如圖9所示.

表1 裂紋前沿各點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子K ITable 1 The stress intensity factors K I of the points in the front edge of crack

圖9 應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線Fig.9 The variation curve of stress intensity factor

I時(shí)，KI達(dá)到最大值，隨著θ繼續(xù)增加，KI值開始減小但不明顯；當(dāng)θ一定時(shí)，隨著裂紋面壓力的增加KI隨之增大.根據(jù)這一結(jié)果可以推測(cè)，若曲面橢圓裂紋要繼續(xù)擴(kuò)大，則在θ＝處附近的K值最先I達(dá)到平面應(yīng)變斷裂韌度KIC，即裂紋在該處最先向前擴(kuò)展.由于應(yīng)力強(qiáng)度因子是判斷裂紋是否擴(kuò)展的主要參量，而在目前又無法得到曲面橢圓裂紋前沿應(yīng)力強(qiáng)度因子解析解的情況下，通過數(shù)值模擬的方法求出橢圓裂紋前沿各點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子的近似解，再結(jié)合平面應(yīng)變斷裂韌度KIC的變化規(guī)律及裂紋擴(kuò)展判據(jù)KI≥KIC，就可以定量的判斷裂紋擴(kuò)展情況，這一結(jié)論對(duì)換熱器出現(xiàn)氫腐蝕分層后的在線監(jiān)測(cè)及安全評(píng)估有著重大的指導(dǎo)意義.

3 結(jié) 語

a.通過節(jié)點(diǎn)建模法建立了含三維曲面橢圓裂紋的換熱器殼體有限元模型.

b.通過有限元法計(jì)算出裂紋前沿各點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的數(shù)值解，將它們進(jìn)行對(duì)比并作出其隨角度θ的變化曲線，通過曲線能確定最大應(yīng)力強(qiáng)度因子KI所在的位置.

c.本文的曲面橢圓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子解法可用于化工設(shè)備氫腐蝕破壞的安全評(píng)估中.

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Numerical calculation for stress intensity factor of curved surface elliptical crack buried in cylindrical shell

HE Jia-sheng1，XIE Fei1，ZHU Xiao-ming2，CHEN Wei2，LU Yuan-ming2
（1.School of Mechanical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Wuhan Subsidiary company，China Petrochemical Co.Ltd.，Wuhan 430082，China）

A finite element model of fracture mechanics was established to calculate the stress intensity factor（SIF）of curved surface elliptical crack buried in cylindrical shell by using the method ofdisplacement of the finite element setting 3D singular elements along the front edge of crack；the SIF of the points in the front edge of crack was analyzed，the variation curve of SIF was obtained and the location of the maximum SIF was discovered which provides an important basis for security assessment of the layered chemical equipments caused by hydrogen corrosion.

hydrogen corrosion；displacement of finite element；curved surface elliptical crack；stress intensity factor；finite element method

陳小平

TQ050.9

A

10.3969／j.issn.1674-2869.2011.11.018

1674－2869（2011）11－0070－04

2011－10－08

何家勝（1958－），男，湖北武漢人，教授，碩士.研究方向：壓力容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與失效分析研究.