在役罐車裂紋缺陷分析及檢測(cè)

孫 敏

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

在役罐車裂紋缺陷分析及檢測(cè)

孫 敏

（山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104）

鐵路罐車是行走在鐵路線上的主要車體之一，其運(yùn)載物的特殊性及安全性值得廣大民眾的重視和了解。本文由鐵路罐車自身的特點(diǎn)，推出其可能存在缺陷的種類，在此基礎(chǔ)上，分析罐車在交變應(yīng)力載荷作用下，裂紋缺陷擴(kuò)展情況。根據(jù)實(shí)際罐車的受力情況，利用ANSYS分析法建立罐車模型，進(jìn)而模擬在不同的裂紋尺寸下，缺陷處所受應(yīng)力值的大小，得出影響裂紋缺陷擴(kuò)展的主要因素。最后，從安全運(yùn)行方面考慮，介紹了幾種檢測(cè)缺陷存在的方法，為罐車中缺陷的提前檢出和預(yù)防提出切實(shí)可行的措施。

罐車；缺陷；應(yīng)力分析；無損檢測(cè)

1 在役罐車腐蝕缺陷的產(chǎn)生

鐵路罐車是鐵路貨車的一種，主要用來運(yùn)輸酸、堿、液化氣、軍工特種設(shè)備等?；?。罐車運(yùn)輸有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，其成本低、運(yùn)輸量大、全年不間斷運(yùn)輸?shù)挠欣攸c(diǎn)，使得我國鐵路?；愤\(yùn)輸量達(dá)到近2億噸，其安全評(píng)定問題也逐漸被相關(guān)部門重視。

常壓鐵路罐車的車體屬于筒形壓力容器，在運(yùn)載硫酸的過程中，罐底的聚液窩、罐體進(jìn)風(fēng)管等地方都會(huì)受到硫酸不同程度的腐蝕。此外，罐體內(nèi)的氣體空間把罐體內(nèi)壁分成兩部分，即經(jīng)硫酸鈍化后的表面及未經(jīng)鈍化繼續(xù)被腐蝕的表面。長(zhǎng)此以往，罐體厚度將嚴(yán)重減薄，在載荷的作用下，極易出現(xiàn)裂紋等類似缺陷。

2 常見裂紋缺陷類型及裂紋擴(kuò)展分析

按照幾何類型分類，裂紋可以分為穿透裂紋、表面裂紋、埋藏裂紋等。按照裂紋的受力和斷裂特征分類，裂紋可以分為張開型、滑移型、撕裂型等。表面張開型裂紋所受的拉應(yīng)力垂直于裂紋擴(kuò)展面上，裂紋上下面沿著作用力方向張開，裂紋向前擴(kuò)展，是比較典型的裂紋缺陷。

罐體在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞裂紋的幾率顯著增大。疲勞裂紋的擴(kuò)展可以用疲勞擴(kuò)展速率圖表示。

圖1 疲勞擴(kuò)展速率圖

圖1為疲勞擴(kuò)展速率圖，從圖中可以看出，疲勞裂紋的擴(kuò)展分為三個(gè)時(shí)間段，一是位于不擴(kuò)展階段的Ⅰ區(qū)，亦稱近門檻區(qū)，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子△Kth＜△Kh時(shí)，疲勞裂紋不繼續(xù)擴(kuò)展。第Ⅱ時(shí)間段是裂紋擴(kuò)展壽命的決定階段，稱為中部區(qū)。第Ⅲ階段裂紋快速擴(kuò)展，為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)。

設(shè)定被檢尺寸為ɑ，被檢尺寸承受應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N，則關(guān)于裂紋擴(kuò)展速率如式（1）所示。

1961年,美國人Paris提出了在恒載荷作用下計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命的表達(dá)式，其計(jì)算表達(dá)式如式（2）所示。

其中，C、m是受環(huán)境因素影響的材料常數(shù)。

當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值△K小于某個(gè)數(shù)時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展。當(dāng)裂紋處于高應(yīng)力循環(huán)載荷的作用下時(shí)，裂紋擴(kuò)展情況可以用此時(shí)的△K計(jì)算：

其中，△σ是裂紋處應(yīng)力幅值，Y為構(gòu)件與裂紋尺寸的函數(shù)。

由以上各式可得疲勞壽命的求解公式：

其中，αc為裂紋臨界尺寸大??；α0為裂紋初始尺寸大小。據(jù)此，可以利用Paris公式預(yù)測(cè)裂紋疲勞使用時(shí)的剩余壽命長(zhǎng)短。

3 罐車裂紋受載情況分析

高速運(yùn)行的罐車所受靜載荷主要是其自重、載重，動(dòng)載荷主要是在某個(gè)構(gòu)件在外力作用下速度發(fā)生改變，產(chǎn)生較大的加速度時(shí)產(chǎn)生的，大體上分為垂直載荷、縱向載荷、慣性力等幾種受力情況。利用ANSYS有限元分析法，可以較為直觀的分析出在不同的載荷作用下，對(duì)于不同的罐車裂紋大小，其所能夠承受的應(yīng)力大小。

圖2 罐車1/4模型

以罐車受到垂直和縱向載荷以及罐車內(nèi)部裝載物的壓力為例，取罐車底部中心處的裂紋缺陷為研究對(duì)象，據(jù)此建立研究對(duì)象如圖2所示。利用ANSYS有限元分析法，可得不同深度裂紋處應(yīng)力分布情況如表1及圖3所示。

表1 不同裂紋深度、長(zhǎng)度的應(yīng)力分布情況 單位：MPa

由以上數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：（1）罐車在所受載荷和裂紋深度不變的情況下，所受應(yīng)力值將隨著裂紋長(zhǎng)度與深度的增加而增加，其中裂紋深度值起主要作用。（2）當(dāng)裂紋尺寸增大到一定程度時(shí)，應(yīng)力增大的幅度減緩，最終將保持在一定范圍內(nèi)。

圖3 裂紋深度1mm，長(zhǎng)度20mm時(shí)，應(yīng)力分布圖

4 罐車缺陷無損檢測(cè)技術(shù)

運(yùn)用以上理論方面分析研究的影響罐車缺陷的因素，結(jié)合在實(shí)際生活中常用的罐車缺陷無損檢測(cè)方法，可以大大提高罐車在鐵路上行駛的安全性和可靠性。

常用的無損檢測(cè)方法主要有表面檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等三種。表面檢測(cè)主要針對(duì)的是罐車加工中焊縫表面存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)；超聲檢測(cè)主要針對(duì)罐體內(nèi)部缺陷進(jìn)行探傷；磁粉檢測(cè)通過外加設(shè)備在缺陷處形成漏磁場(chǎng)，依據(jù)磁粉能夠根據(jù)漏磁場(chǎng)大小的不同而改變聚集的部位和形狀的特點(diǎn)，進(jìn)行缺陷的定位和查找。

總之，無論采用何種無損檢測(cè)方法，都應(yīng)在綜合考慮罐車載重、行駛路況、裝載物、運(yùn)行里程數(shù)等多種因素的情況下，定時(shí)監(jiān)測(cè)，確保罐車安全行駛。

5 總結(jié)

本文通過預(yù)測(cè)鐵路罐車中可能存在缺陷，應(yīng)用在應(yīng)力載荷作用下缺陷疲勞壽命的計(jì)算式，估算缺陷罐車壽命。進(jìn)而通過ANSYS有限元分析法，建立罐車模型，分析得出影響裂紋缺陷擴(kuò)展趨勢(shì)的主要因素。最后，為進(jìn)一步提高罐車行駛的安全性，從缺陷無損檢測(cè)方面考慮，為其缺陷的控制和預(yù)防提出切實(shí)可操作的建議。

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[6]曾攀，雷麗萍，方剛.基于ANSYS平臺(tái)有限元分析手冊(cè)-結(jié)構(gòu)的建模與分析[M].背景：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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（責(zé)任編輯：陳 輝）

Analysis and Detection of Cracks in Tanks in Service

SUN Min
(Shandong Polytechnic,Ji'nan,Shandong,250104)

Railway Tank is the main body running on the railway line,its cargo’s particularity and safety deserves people's attention and understanding.From the characteristics of railway tank,this article infers its possible defect types,and on this basis,analyses tank’s crack propagation situation under alternating stress loading.Then according to the actual load conditions of tank car,this article also establishes the model by using ANSYS,and the simulation of crack size under different premises and defect stress value helps to obtain the main factors affecting crack propagation.Finally,in terms of the safe operation,the paper introduces several methods of defects detection,so as to facilitate early detection and prevention of defects in tanks.

tanks;defects;stress analysis;nondestructive testing

G741

A

123（2014）02-0034-03

2013-11-07

孫 敏(1984-)，女，山東棗莊人，山東職業(yè)學(xué)院，碩士。研究方向：無損檢測(cè)。