长管拖车气瓶瓶体裂纹应力分析

孙旭 赵继瑞

摘  要：在长管拖车的定期检验过程中，发现相当一部分长管拖车气瓶瓶体存在裂纹性缺陷，为分析裂纹性缺陷对气瓶安全性能的影响及消除缺陷，对裂纹性缺陷进行了建阿模及应力分析，分析结果对缺陷处应力分布及消除缺陷具有指导意义。

关键词：长管拖车  ANSYS  裂纹性缺陷

中图分类号：TH49    文献标识码：A             文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0075-02

长管拖车往来于人口、建筑密集的地区，工作压力高（工作压力20MPa），介质易燃易爆，一旦发生事故，将产生巨大的生命、财产损失和恶劣的社会影响[1]，有“流动的炸弹”之称，为了保障长管拖车安全，保护人民生命和财产安全，促进国民经济发展[2]，防止事故的发生，中国特种设备检测研究院自2004年起开始开展长管拖车定期检验工作。

在定期检验中，通过内外部宏观检查、磁粉检测、超声检测及等检验检测手段，发现有部分大容积钢制无缝气瓶瓶体有裂纹存在，对长管拖车的安全运行产生隐患。如何对瓶体上存在的裂纹的危害性进行评估，如何彻底消除瓶体裂纹对长管拖车安全运行的影响，是一个亟待解决的问题。该文拟采用有限元分析模拟仿真手段，经过合理的简化，模拟大容积钢制无缝气瓶及瓶体裂纹，假设长管拖车气瓶在最大工作压力20MPa下，通过静态求解，分析出在最大工作压力20MPa时，瓶体及裂纹处的应力分布，从而为评价裂纹危害性以及如何消除裂纹提供理论依据。

1  气瓶参数

长管拖车用大容器钢制无缝气瓶尺寸、材料及工作参数如表1所示。

2  气瓶建模及分析

为了分析气瓶裂纹的应力分布，根据表1中相关参数，利用SolidWorks软件建立理想情况下气瓶模型，导入ANSYS，设置材料弹性模量EX=200e3MPa，泊松比u=0.3，工作压力20MPa，以静态模式求解，读入求解文件，求解出应力分布分布情况，考虑气瓶结构的对称性，通过合理的简化，从中取气瓶瓶体1/4进行应力计算。

2.1 无缺陷气瓶

从模拟结果可以看出，气瓶从瓶肩部位延伸到直管段部分，应力图颜色均匀，说明在此区域内，瓶体的应力分布均匀，变化范围很小，气瓶瓶体应力分布均匀部位的裂纹，对气瓶的影响区别很小。在气瓶瓶颈部位，因此处有明显的形状改变，应力有一定的集中，应力值在351MPa左右。应力在瓶体近中心端到瓶体与距瓶肩结合处内一段距离的区域内分布均匀。

2.2 裂纹缺陷气瓶

应用SolidWorks软件进行模型建立，在距瓶肩300mm处分别模拟横向/纵向裂纹，裂纹深度选取设计壁厚的5%，宽度选取0.1mm，长度选取15mm、35mm。

2.2.1 横向裂纹缺陷气瓶

模拟横向裂纹，SolidWorks模型如图1所示。

分析结果显示，对于15mm横向裂纹，在裂纹的大部分区域，应力分布均匀，约为314～380MPa间;裂纹的最大应力出现在在裂纹的两端，为450～510MPa之间，局部已经超过700MPa。该横向裂纹在深度方向的应力分布均匀，但在两端应力较大，所以该裂纹在长度方向上会有较大的扩展性，建议在不影响瓶体强度的情况下将其打磨。对于35mm横向裂纹，在裂纹段应力较低，且总体应力分布较为均匀，在裂纹的两端处，特别是在近内表面的裂纹两端应力较大，最大达到720MPa。裂纹在深度方向应力集中较小，但在两端的应力很大，所以该裂纹在长度方向上会有较大的扩展性，建议在不影响瓶体强度的情况下将其打磨。

2.2.2 纵向裂纹缺陷气瓶

模拟纵向裂纹，SolidWorks模型如图2所示。

分析结果显示，对于15mm纵向裂纹，在裂纹处稍远离裂纹两端处应力较低;在裂纹的两端应力很大;从应力结果分析可知，该裂纹在深度方向应力分布均匀，无集中现象;在裂纹两端应力集中较为严重，说明裂纹在长度方向上有扩展的趋势，建议在不影响瓶体强度的情况下将其打磨。对于35mm纵向裂纹，，在裂纹处稍远离裂纹两端处应力较低;在裂纹的两端应力很大，属于应力集中;从应力结果分析可知，该裂纹在深度方向應力分布均与，无集中现象;在裂纹两端应力集中较为严重，说明裂纹在长度方向上有扩展的趋势，建议在不影响瓶体强度的情况下将其打磨。

3  结语

由上述分析结果可以得出，横向裂纹与纵向裂纹远离裂纹两端的位置应力较低，两端位置应力集中严重，虽然由于边界条件的精确度问题，应力数值上有一定的误差，但是整体趋向明显，显示了裂纹在长度方向上的扩展型，可以在不影响瓶体强度的情况下将其打磨。本次分析不能得到裂纹扩展速度的分析。

参考文献

[1] 刘三江，郑晖，王勇，等.对长管拖车气瓶定期检验方法的探讨[J].中国锅炉压力容器安全，2005，21（2）：38-41.

[2] TSG R0005-2011，移动式压力容器安全技术监察规程[S].