复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性分析

李景磊 1 位雅 2 徐雷 3

摘要：复合材料压力容器相比传统的金属压力容器，具有高强度、轻量化、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于航空、航天、化工等领域。在工程应用中，由于压力容器制造工艺水平的差异以及材料性能的分散性，结构尺寸和材料性能等基本设计参数往往是具有随机分布的变量。因此为了保障服役过程中的安全性，需要在考虑设计参数随机性的基础上对金属内胆纤维缠绕复合材料压力容器开展可靠性分析。基于此，对复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性进行研究，以供参考。

关键词：复合材料压力容器；金属内胆；屈曲分析；可靠性分析

引言

压力容器是工业生产中不可或缺的设施，由于工业水平的不断进步，被大量运用在石油、化工等领域。在具体的使用阶段，部分压力容器会由于上下游设备剧烈振动而引起设备的疲劳损坏。为保证其可以正常使用，需对其进行定期检测，发现裂纹问题时要尽快予以解决。

1压力容器金属内胆局部屈曲分析方法

复合材料压力容器在缠绕制备过程中，纤维缠绕带会在局部产生堆叠，由于材料分布不均匀导致堆叠部位的两侧会存在空隙，当施加自紧压力时，缠绕层内的空隙会被压实，会在内胆上形成向内的凹陷。复合材料压力容器在自紧压力卸载后，金属内胆产生塑性变形，与缠绕层之间存在残余压应力，但由于凹陷的存在，使得该处内胆与缠绕层之间产生界面拉应力，而界面拉应力会导致缠绕层出现局部脱粘，向内收缩，挤压内胆的现象，从而引发内胆发生局部屈曲，这种屈曲也称为“收缩屈曲”。针对这种屈曲问题，本文首先建立含金属内胆的柱形复合材料压力容器的有限元模型，并在金属内胆与复合材料缠绕层之间设置接触单元，计算内胆在自紧压力加载时和卸载后的应力分布，求解内胆的面内张力和界面压力；然后，沿内胆厚度方向提取直筒段中部每一个节点的轴向应力，并在厚度方向上积分，求出薄壁金属内胆的轴向面内压力；最后，建立金属内胆直筒段凹陷在自紧工艺后的轮廓变化以及凹陷对内胆界面压力和残余弯矩的作用的解析模型。用解析方法计算圆柱壳受围压下的位移，需要列出偏微分方程，难以得到显式解。板壳力学经典理论的做法是只考虑一个方向上的位移分布，把另一个方向上位移分布的影响在位移方程中修正。

2压力容器金属内胆存在的问题

2.1疲劳裂纹

疲劳裂纹是锅炉压力容器压力管道检验操作中的常见裂纹形式，该裂纹在刚开始出现的时候是比较小的，在中后期的时候会不断拓展延伸。第一，机械疲劳裂纹。锅炉压力容器压力管道的叶轮、叶片、辅助性转动设备上比较容易出现机械疲劳裂纹，裂纹会随着时间从一个比较小的状态持续延伸和拓展，愈演愈烈。第二，热疲劳裂纹。在锅炉压力容器压力管道低于其拉伸强度的情况下，受外界应力的反复作用会产生裂纹。第三，腐蚀疲劳裂纹。腐蚀疲劳裂纹是在原有裂纹基础上的一种深入发展，在时间的推移下，腐蚀性疲劳裂纹的范围会不断扩大。伴随时间的推移，腐蚀疲劳裂纹会在管道内部蔓延形成腐蚀坑。

2.2腐蚀裂纹

一些零部件会在腐蚀介质与应力共同作用下产生裂纹，这种裂纹被称作腐蚀裂纹，多数会产生在集箱管座与汽水管道等位置，这种部件中，奥氏体不锈钢最容易出现此类问题，特别在汽水介质中，即便应力作用较小，在腐蚀反应阶段也会产生裂纹情况，形成裂纹的重要因素是残余应力、冷加工变形与振动。通常情况下，压力容器管道的应力腐蚀裂纹通常处在弯管内壁的中性层，局部腐蚀容易引发此类问题，呈现“之”字形，从外部向内部发展。

2.3加工过程不合格

压力容器的设计制造对工艺有着极高的要求，过程复杂且需要做许多复杂性工作，因此要从实际出发，做好加工处理，保障整体加工过程的合理性。以前，压力容器加工过程无严格的质量管控体系，在实际加工时极有可能会出现质量管理不佳的问题，并诱发一些问题，如测量仪器精准度不佳、工作人员操作规范性不足等。虽然预先会制定相应的加工方案及施工规划，但能够真正从综合、全面的角度考虑问题，又如过于注重压力容器、未兼顾在地形操作环节等，许多细节性问题极有可能会严重影响压力容器的性能。

3复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性分析

3.1蒙特卡洛（MonteCarlo,MC）方法

为考虑压力容器尺寸参数的不确定性，本文采用概率可靠性分析方法，将尺寸参数视为随机变量，对压力容器内胆局部屈曲的可靠性问题展开研究。由于蒙特卡洛方法具有受几何条件限制小、直观、形象、程序简单等特点，已经成为其它可靠性分析模型准确性验证的基准解，所以本文采用MC方法计算压力容器内胆局部屈曲问题的可靠性。采用蒙特卡洛方法进行可靠性分析的步骤为：首先对影响结构可靠性的随机变量，在分布区间内进行随机抽样；然后，将各随机变量的抽样值代入有限元模型，分别求解自紧压力下内胆的轴向面内张力、自紧压力卸载后内胆的轴向面内张力以及内胆与缠绕层之间的界面压力。将上述三个结果代入解析模型，继续求解，并结合局部屈曲判据判断内胆是否会发生屈曲。进行循环计算，最后计算发生屈曲的次数与总抽样次数的比值，即为压力容器内胆在该工况下的失效概率。

3.2建立健全完善的压力容器压力管道裂纹检验结构体系

为了能够提升锅炉压力容器压力管道裂纹检验工作有效性，锅炉企业需要借助先进的信息技术来全面收集整理锅炉运行过程中所涉及到的信息，结合锅炉以往运行情况来分析当前锅炉出现裂纹的原因，根据裂纹出现的原因来制定出对应的改良优化措施，强化对锅炉日常使用的管理。在收集整理锅炉过往运行信息资料的基础上企业还需要加快打造完善的网络沟通交流渠道，和其他锅炉企业分享锅炉压力容器压力管道裂纹检验经验，优化锅炉压力容器压力管道裂纹检验流程。在打造锅炉压力容器压力管道裂纹检验结构体系的过程中，企业要始终坚持以人为本的发展原则，避免出现因为工作过度集中所引起的员工反感心理。为了能够充分调动锅炉检验人员的工作积极性，企业可以设置奖惩机制，对在锅炉压力容器压力管道裂纹检验工作中表现优异的员工予以相应的奖励，从而更好的调动员工工作积极性，为锅炉的安全、稳定使用提供重要支持。

3.3提高工作人员技能操作水平

工作人员的实际操作技术与裂纹的出现具有一定的关联，因为实际运行多处在高温环境中，大部分裂纹出现的原因都是由于内部较大的压力与短时间的变化所引起的。例如：在正常运行时突然停止工作，则要求温度缓慢变化，尽量降低时间温差，防止由于温度突变而出现裂纹。在锅炉运行阶段要从源头上避免裂纹的产生，就需要合理使用，要加强工作人员的实操水平。相关单位在招聘这方面人才时要适度增加录取条件，另外，在平时工作中，要经常组织专业人员参加技能培训，丰富理论知识与操作水平，有效避免裂纹的产生。

结束语

随着社会及工业的发展，压力容器在人们生活中应用得更为广泛。因此，在压力容器生产过程当中，应严格控制过程质量，消除安全隐患，这不仅直接决定着压力容器的使用寿命及运行安全，还会影响到使用单位的整体经济效益指标。

参考文献

[1]汪华彬,黎海洋.金属内衬压力容器封头焊接方式选型探讨[J].世界有色金属,2020(24):179-180.

[2]李德斌.超声波探伤技术在金属内衬压力容器检测中的应用研究[J].科技创新导报,2019,16(21):16+18.

[3]宁志星.新型金属薄内胆内隔热层式耐温高压容器及其快开密封设计和应用研究[D].北京化工大学,2019.

[4]鲁文可,肖健.超薄金属内衬轻量化复合材料压力容器的设计与制备[J].黑龙江科学,2019,10(08):74-75.

[5]陈诚,乔业程.超声波探伤技术在金属内衬压力容器检测中的应用研究[J].世界有色金属,2019(02):200-201.