钢瓶压力容器残余应力的发展与分析

徐桑波

[摘 要]压力容器在航空航天应用中的应用是多方面的。在此工作中，使用具有2D轴对称模型的ANSYS软件包进行有限元分析，以获得具有焊接残余应力的碳钢制圆柱形压力容器的故障压力。为了找出残余应力对破坏压力的影响，首先进行弹塑性分析，找出没有残余应力的压力容器的破坏压力。然后进行热机械有限元分析，以评估在焊接过程中在压力容器中产生的残余应力。最后进行一次弹塑性分析，以评估残余应力对具有残余应力的压力容器的破坏压力的影响。该分析表明由于不利的残余应力导致的故障压力的降低。

[关键词]残余应力；钢瓶压力容器；破坏压力

中图分类号：TG115.62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0015-01

1.引言

圆柱压力容器用于各种领域，如化学和核工业，火箭发动机壳体制造和生产许多武器系统。圆柱形压力容器可以承受的故障压力的评估在压力容器的设计中是重要的考虑因素。在预测压力容器的故障压力的同时，还需要考虑压力容器中已经存在的残余应力。正在使用各种方法来估算故障压力。基于GPD（全球塑性变形）的有限元技术也用于评估失效压力，其结果与试验结果非常一致。焊接已经广泛应用于制造船舶，离岸结构，钢桥梁和压力容器。由于焊接过程的局部加热和随后的快速冷却，通常产生屈服强度的残余应力通常在焊缝中产生。有限元方法已被用于分析各种类型的焊接接头[1]。

2.发展进程

Iranmanesh和Darvazi[2]进行了对接焊接板温度场和残余应力的有限元模拟。Deng和Murakawa利用ABAQUS生成2D轴对称有限元模型，模拟不锈钢管道多通焊缝中的温度场和残余应力状态。他们也进行了实验，并证明了他们的分析结果是否正确。他们还表示可以使用2D模型以合理的精度节省大量的计算时间。Jeyakumar等已经进行了二维有限元分析，并预测了对接焊接的两种相似的低合金铁素体钢板和钢板中的焊接引起的残余应力。Jiang和Yahiaoui已经生成了一个完整的3D热机械有限元模型，用于通过使用元素去除/再活化技术来模拟填充材料的沉积来预测厚壁三通分支连接中的厚度焊接残余应力分布。Melicher等[15]利用ANSYS生成三维有限元模型，用于圆周焊接接头的热机械分析。Yaghi等评估了钢管轴对称单多通对接焊缝中的残余应力，考虑到温度依赖性材料性质，并允许固态相变（SSPT），除了包含热处理有时间研究焊后热处理（PWHT）的影响。Lu和Hassan对接焊和插座焊管进行了热和残余应力分析，并根据现有测试结果验证了其分析结果。Nadimi等利用元素分娩和死亡技术对两种不同钢管进行对接焊接中的残余应力进行了FEA，以模拟填充金属沉积。Fanous等]对金属沉积和非金属沉积焊接过程进行了三维有限元建模与仿真。元素运动技术用于金属沉积，以最小化计算时间。Tahami和Sorkhabi20进行了三维有限元分析，研究了板厚对对焊钢板残余应力的影响。Moraitis和Labeas21开发了两级三维有限元模型，以预测钢和铝压力容器的激光束焊接（LBW）中的键孔形成和热机械响应。Wang等采用FEM分析了真空羽流效应实验系统真空室的静强度和稳定性。Katsuyama等[3]通过一些案例研究评估了焊接残余应力和初级水分胁迫腐蚀开裂（PWSCC）生长速率对裂纹渗透的影响。焊接仿真仍然是CPU时间要求和复杂性。为了降低复杂性并保持残余应力预测的准确性，需要简化2D焊接仿真程序。

显然，在压力容器生产中应用新概念可能存在许多问题，其中许多问题没有考虑压力容器中产生的残余应力。减少这些应力可能导致结构强度的显着增加。在本文中，FEA已经使用具有2D轴对称模型的ANSYS软件包进行，以访问由碳钢制成的圆柱形压力容器的对接焊接中的焊接引起的残余应力，并预测具有和不具有焊接残余应力的失效压力。通过FEA评估压力容器的失效压力，并将其结果与现有的分析和实验结果进行比较，发现它们有很好的一致性。

3.有限元分析

通过利用弱结构到热场耦合的优点，焊接的复杂耦合热机械分析分为两部分。在第一部分，进行非线性瞬态热分析以预测焊接过程完整热循环的域的温度历史。为了获得热历史，瞬态，非线性热问题是使用温度依赖的热性质和考虑热传导，对流和辐射边界条件来解决的。在热分析中，热通量在2157个时间步长中指定。从最高温度冷却至室温（600℃）需要6009秒。在第二部分中，进行非线性结构分析，其中在热分析期间计算的温度历史随温度依赖的机械性质被应用作为体负荷以获得瞬态和残余应力场。结构分析中的负载步骤与相应的热负荷步骤保持一致。由于加载步骤太多，所以采用ANSYS参数化设计语言（APDL）进行热分析和结构分析。对于该压力容器的故障压力分析以及存在的残余应力以评估残余应力对破坏压力的影响，从热应力分析的终止（最终）载荷步骤以及施加的内部压力重新开始分析，并执行至GPD。对应于GPD的压力将是故障压力。

4.结语

压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。压力容器广泛应用于化工、石油、机械、动力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部门。它是生产过程中必不可少的核心设备，是一个国家装备制造水平的重要标志。2D使用ANSYS软件包进行轴对称模型的有限元分析，以获得具有焊接残余应力的碳钢制圆柱形压力容器的故障压力。进行弹塑性分析以找出没有残余应力的压力容器的失效压力。为了评估由于焊接而存在于压力容器中的残余应力，进行热机械有限元分析。还进行了另一种弹塑性分析，以评估残余应力对具有残余应力的压力容器的破坏压力的影响。从该分析可以看出，由于不利的残余应力，故障压力降低。还通过FEA评估了压力容器的失效压力，并将其结果与分析和实验结果进行了比较，发现它们具有良好的一致性。所提出的结果可以合成，以提供使用航空航天压力容器应用的一些近似准则。

参考文献

[1] 陈学东，崔军，章小浒，关卫和，寿比南，谢铁军.我国压力容器设计、制造和维护十年回顾与展望[J].压力容器，2012，（12）：1-23.

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[3] 郑津洋，陈志平，孙国有.压力容器设计技术进展及我国应采取的对策[J].石油机械，2001，（03）：1-4+59.

[4] 陸明万，寿比南，杨国义.压力容器分析设计的塑性分析方法[J].压力容器，2011，（01）：33-39.