平板普通型爆破片疲勞破壞行為解析

朱紅波，徐維普，鄭紅星

(1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 200333)

0 引言

爆破片由于其結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高以及泄放能力強等特點，被廣泛應(yīng)用于各種壓力容器及管道安全泄放裝置中[1-4]。作為非重復(fù)使用的安全部件，爆破片更換周期通常為2～3年[5]，服役期間會經(jīng)受102～105次不等的周期性循環(huán)壓力(如氣體充卸載等)，研究爆破片因力學(xué)循環(huán)作用而產(chǎn)生的疲勞行為，對其安全服役有著極其重要的意義。現(xiàn)有研究表明，影響爆破片力學(xué)疲勞性能的因素較多，包括結(jié)構(gòu)形式[6]、壓環(huán)倒角[7]、表面粗糙度[8-9]、分析設(shè)計[10]等內(nèi)在因素，以及一些外界因素，比如服役環(huán)境、夾持條件[11]、安裝操作[12]等。王路逸等[7]對具有0.6，1.2，1.5 mm不同壓環(huán)倒角的爆破片進行疲勞性能試驗，發(fā)現(xiàn)壓環(huán)倒角越大，爆破片的疲勞壽命越長；李岳等[11]采用有限元分析法對爆破片密封區(qū)進行分區(qū)，通過賦予不同的邊界條件，發(fā)現(xiàn)其臨界爆破壓力隨著未施加面載荷區(qū)域的增大而迅速降低；喻健良等[12]發(fā)現(xiàn)爆破片在安裝操作中如果受到擠壓或者劃傷，爆破片的疲勞壽命可能急劇下降90%以上。本文針對服役應(yīng)用中的充卸載等類似的應(yīng)力循環(huán)過程，基于平板普通型316L不銹鋼爆破片，通過試驗檢測的方法研究循環(huán)加載對其疲勞破壞的影響；同時利用ABAQUS軟件，對爆破片進行靜態(tài)斷裂力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合FE_SAFE軟件，以期探索一種較為準確的爆破片疲勞壽命模擬預(yù)測新思路，為爆破片服役過程中安全更換周期的制定提供可靠的參考依據(jù)。

1 試驗過程與方法

試驗檢測對象為上海某公司生產(chǎn)的平板普通型316L奧氏體不銹鋼爆破片，設(shè)計厚度0.064 mm，直徑14 mm，泄放口徑6 mm。

(a)爆破壓力測試裝置

(b)氣瓶閥及內(nèi)置爆破片

疲勞壓力檢測試驗過程具體如下：首先將爆破片置于爆破壓力測試裝置(見圖1(a))內(nèi)的氣瓶閥中(見圖1(b)),測定出爆破片在持續(xù)加載條件下的臨界爆破壓力Pb；然后通過軟件控制系統(tǒng)，循環(huán)施加0.8Pb壓力，分別設(shè)定1 000，2 000，4 000，8 000次，完成設(shè)定循環(huán)次數(shù)后，增大壓力直至爆破片發(fā)生破壞，即得到經(jīng)過0.8Pb不同循環(huán)加載作用次數(shù)后的爆破壓力Pi(i=1 000，2 000，4 000，8 000)；最后再進行1組0.8Pb恒定應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞壽命試驗，即爆破片在0.8Pb恒定應(yīng)力循環(huán)作用下直至爆破片發(fā)生破壞。爆破所需壓力經(jīng)由高壓油泵提供，壓力波形為正弦波，頻率為0.1 Hz[13]，所有爆破試驗均在室溫、大氣環(huán)境下進行，每組試驗至少進行3次。爆破片爆破后的斷口形貌采用掃描電鏡(SEM，JEOL JSM-6700F)進行觀察。

2 試驗結(jié)果與討論

平板普通型316L不銹鋼爆破片發(fā)生爆破后的爆破片宏觀形貌如圖2所示。

(a)1次 (b)1 000次

(c)2 000次 (d)4 000次

(e)8 000次 (f)13 836次

圖2 不同次數(shù)循環(huán)壓力作用爆破片爆破后的宏觀形貌

從圖2可以看出，爆破片持續(xù)加載施壓條件下的爆破點發(fā)生在中心區(qū)域，在0.8Pb循環(huán)壓力作用下，爆破片的爆破點逐步從中心區(qū)域向夾持邊緣靠近。

圖3示出平板普通型316L不銹鋼爆破片經(jīng)試驗檢測得到的爆破壓力與循環(huán)壓力作用次數(shù)之間的關(guān)系，其中臨界爆破壓力Pb=26.07 MPa(持續(xù)加載而未經(jīng)壓力循環(huán)作用)，經(jīng)1 000,2 000,4 000,8 000次0.8Pb(20.86 MPa)循環(huán)壓力作用后，平均爆破壓力逐漸減小為24.90,24.13,23.20,21.87 MPa，下降幅度分別為4.49%,7.44%,11%,16.11%。而在0.8Pb恒定循環(huán)壓力作用下直至爆破片發(fā)生破壞，3次疲勞壽命試驗檢測結(jié)果分別為13 836,12 585,13 104次，平均值為13 175次。需要說明的是，圖3除試驗檢測數(shù)據(jù)點外，還包括了不同循環(huán)應(yīng)力作用下，采用本文提出的數(shù)值模擬方法預(yù)測出的爆破壽命結(jié)果(數(shù)值模擬方法將在后面詳細論述)。另外,采用掃描電鏡觀察斷口形貌結(jié)果顯示，爆破后的斷口橫截面布滿了長條狀變形韌窩，由此可以判斷其斷裂方式主要是韌性斷裂(見圖4)。

圖3 爆破壓力與循環(huán)壓力作用次數(shù)之間的關(guān)系曲線

(a)1次 (b)1 000次 (c)2 000次

(d)4 000次 (e)8 000次 (f)13 836次

圖4 不同次數(shù)循環(huán)壓力作用爆破片斷口橫截面組織形貌

3 數(shù)值模擬計算解析

在數(shù)值模擬解析方面，采用ABAQUS軟件對爆破片靜態(tài)斷裂力學(xué)進行數(shù)值模擬分析。如圖5所示，所構(gòu)建有限元模型主要包括三部分：爆破片、上夾持器及下夾持器?？紤]到平板普通型爆破片爆破過程可能涉及到雙重非線性，即幾何非線性和材料非線性，對于幾何非線性，在分析步中選擇Nlgeom選項；而對于材料非線性，除輸入楊氏模量和泊松比外，同時采用非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系。室溫條件下，316L不銹鋼材料的楊氏模量約為195 000 MPa，泊松比為0.3，抗拉強度632 MPa，伸長率為47%[14-15]。靜態(tài)分析中分別對爆破片施加26.07 MPa和20.86 MPa作為最大力學(xué)載荷，在位移/旋轉(zhuǎn)中施加UR1=UR2=UR3的邊界條件。對上夾持器和下夾持器均施加ENCASTRE全約束(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)(見圖6(a))。爆破片網(wǎng)格形狀為楔形，種子大小(網(wǎng)格邊長或節(jié)點間距)為0.3 mm，共計1 997個網(wǎng)格；上下夾持器網(wǎng)格形狀均為六面體，種子大小為0.71 mm，上下夾持器分別有170和238個網(wǎng)格(見圖6(b))。

(a)爆破片 (b)上夾持器 (c)下夾持器

圖5 爆破片數(shù)值模擬分析的有限元模型

(a)等效應(yīng)力云圖(載荷26.07 MPa) (b)等效應(yīng)力云圖(載荷20.86 MPa)

(c)等效應(yīng)變云圖(載荷26.07 MPa) (d)等效應(yīng)變云圖(載荷20.86 MPa)

圖7 靜態(tài)加載條件下爆破片的等效應(yīng)力及等效應(yīng)變分布云圖

圖7示出爆破片在26.07，20.86 MPa載荷作用下得到的等效應(yīng)力及等效應(yīng)變圖。在ABAQUS中，等效應(yīng)力σT和等效應(yīng)變εT分別定義如下：

(1)

(2)

式中σ1，ε1——沿軸向的應(yīng)力和應(yīng)變分量;

σ2，σ3——沿垂直方向的應(yīng)力分量；

ε2，ε3——沿垂直方向的應(yīng)變分量。

由圖7可以看出，在靜態(tài)分析中最大等效應(yīng)力及等效應(yīng)變均處于爆破片中心位置，這與直接

爆破的試驗觀察結(jié)果一致，這一定程度上反映了本文所建有限元模型的合理性及可靠性。

通過提取圖7中最大的等效應(yīng)力節(jié)點，可以得到最大等效應(yīng)力點處的等效應(yīng)變-等效應(yīng)力關(guān)系曲線(見圖8(a))，等效應(yīng)變-應(yīng)變硬化速率之間的關(guān)系可以通過圖8(a)一次求導(dǎo)得到，如圖8(b)所示?？梢钥闯?，20.86 MPa載荷是26.07 MPa 載荷的一部分；等效應(yīng)力與等效應(yīng)變呈現(xiàn)正相關(guān)，應(yīng)變硬化速率與等效應(yīng)變呈現(xiàn)負相關(guān)。本文認為，316L奧氏體不銹鋼作為面心立方結(jié)構(gòu)材料，其變形方式會隨著應(yīng)變的增加而從平面滑移逐漸變?yōu)榻徊婊?，而交叉滑移引起的飽和位錯纏結(jié)會耗盡應(yīng)變硬化能力，導(dǎo)致爆破發(fā)生在最大應(yīng)變處，即爆破片的中心位置[16]。

(a)等效應(yīng)變-等效應(yīng)力 (b)等效應(yīng)變-應(yīng)變硬化速率

圖8 靜態(tài)加載條件下的等效應(yīng)變-等效應(yīng)力及等效應(yīng)變-應(yīng)變硬化速率關(guān)系

為對爆破片在0.8Pb循環(huán)壓力作用下的疲勞壽命進行預(yù)測分析，將基于ABAQUS有限元法得到的靜態(tài)斷裂力學(xué)結(jié)果，進一步利用FE_SAFE軟件進行后續(xù)疲勞壽命分析。具體過程如下：(1)選擇ABAQUS有限元分析步的應(yīng)力作為應(yīng)力結(jié)果，設(shè)置應(yīng)力單位為MPa，待計算單元集共計2 405個單元；(2)在FE_SAFE軟件中輸入應(yīng)力強度和楊氏模量生成材料屬性，材料類型設(shè)置為延性，表面粗糙度設(shè)置為1.6 μm

(a)載荷26.07 MPa

(b)載荷13.04 MPa

4 結(jié)語

本文基于平板普通型316L奧氏體不銹鋼爆破片，研究了循環(huán)壓力作用對其爆破壓力及疲勞壽命的影響。結(jié)果表明，爆破片服役過程中循環(huán)壓力疲勞次數(shù)增加，會造成爆破片爆破壓力逐步下降。采用ABAQUS軟件研究爆破片靜態(tài)斷裂力學(xué)，結(jié)合FE_SAFE軟件，可以較為準確地預(yù)測評估爆破片在恒定加載循環(huán)作用下的疲勞壽命，相關(guān)研究不僅為本文所研究的平板普通型316L不銹鋼爆破片服役過程中的安全更換周期制定提供參考依據(jù)，同時采用的數(shù)值模擬解析方法，也為其他類型爆破片疲勞壽命預(yù)測提供了新的思路。