鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定方法

沈 強(qiáng)，袁 紅

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116016）

由于鋁合金壓力容器工作環(huán)境的原因，極容易造成局部的腐蝕凹坑。大量的腐蝕凹坑會在鋁合金壓力容器的表面產(chǎn)生局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，甚至?xí)诟g凹坑處產(chǎn)生裂紋并引發(fā)破裂，嚴(yán)重影響鋁合金壓力容器的承載能力。因此，對鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑進(jìn)行檢驗評定非常必要。通過對壓力容器局部腐蝕凹坑進(jìn)行應(yīng)力、有限元彈塑性等力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上提出以無量綱參數(shù)的計算作為鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定方法，從而為壓力容器的合理使用提供依據(jù)。

1 鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定方法

1.1 壓力容器腐蝕凹坑應(yīng)力分析

鋁合金壓力容器所承受的載荷一般為內(nèi)壓和外彎矩，在與腐蝕介質(zhì)接觸時，其內(nèi)、外壁，往往會產(chǎn)生腐蝕凹坑。在進(jìn)行壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定之前，需要對壓力容器的應(yīng)力集中系數(shù)以及容器極限載荷的有限元進(jìn)行分析。計算出在內(nèi)壓和外彎矩聯(lián)合作用下壓力容器局部腐蝕凹坑的極限載荷以及在載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，才能進(jìn)行鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定。鋁合金壓力容器應(yīng)力分析主要是分析、求解機(jī)械零件和構(gòu)件等物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)力分布的方法[1]。其作用主要是確定與機(jī)械零件、構(gòu)件失效有關(guān)的危險點(diǎn)的應(yīng)力集中部位的峰值應(yīng)力和應(yīng)變。應(yīng)力分析主要是通過應(yīng)力集中系數(shù)的計算以分析壓力容器局部腐蝕凹坑的應(yīng)力集中問題。應(yīng)力系數(shù)的計算公式如下：

其中為壓力容器局部腐蝕凹坑某一點(diǎn)的應(yīng)力值，N為該點(diǎn)截面的有軸力，M為彎矩力數(shù)值。R0、r0分別為容器內(nèi)、外壁的半徑尺寸。ρS為曲率半徑。

收稿日期：2020-03

作者簡介：沈強(qiáng)（1977-），男（漢族），吉林洮南人，碩士，工程師，研究方向：鍋爐壓力容器檢驗。

其中，K為應(yīng)力系數(shù)，?為正應(yīng)力數(shù)值

通過壓力容器局部腐蝕凹坑的應(yīng)力系數(shù)計算，可以分析出凹坑底部的應(yīng)力應(yīng)變最大，應(yīng)力大小隨著測點(diǎn)至凹坑中心的距離的增加呈指數(shù)函數(shù)形式驟減[2]。壓力容器局部腐蝕凹坑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析中的靜力、動力、線性以及非線性問題通過有限元的分析得以解決，為之后蝕坑的檢驗評定提供可靠的數(shù)學(xué)模型[3]。有限元的計算模型如圖1所示，其分析基本步驟如下：

(1)將實際求解離散化，即將求解域劃分成節(jié)點(diǎn)和單元。

(2)對每個單元建立單元剛度矩陣。

(3)寫出節(jié)點(diǎn)自由度為未知量的結(jié)構(gòu)整體剛度方程，并將邊界條件、初始條件應(yīng)用到方程中，方程如下：

其中：K是單元剛度矩陣集合，δ是節(jié)點(diǎn)的初始數(shù)值，R是節(jié)點(diǎn)上的自由度值。

(4)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的值和形函數(shù)，得到其他的物理量。如應(yīng)力、支座反力、彎矩圖、熱流量等。

(5)結(jié)果分析。

圖1 有限元計算模型

計算模型的邊界條件，在軸線與蝕坑中心的縱截面上，其x方向的位移受到限制；蝕坑中心的橫截面上，y方向的位移受到約束[4]；容器端部的支承處，z方向的位移為零。計算網(wǎng)絡(luò)的單元采用8節(jié)點(diǎn)三維固體單元。

1.2 凹坑圓滑過渡處理

進(jìn)行鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定前，要對需要進(jìn)行檢驗的壓力容器，排放干凈內(nèi)部物質(zhì)，徹底清除內(nèi)部的有害氣體和液體，并且用盲板隔離其它氣體和液體，不能用關(guān)閉閥門代替盲板隔離。其次需要對蝕坑的表征、蝕坑所在部位容器的尺寸以及材料的性能進(jìn)行測量并確定。再次對腐蝕凹坑進(jìn)行圓滑過渡處理，其目的一是避免蝕坑的應(yīng)力集中，二是為無量綱參數(shù)計算提供幾何參數(shù)，三是方便鋁合金壓力容器的整改與維修[5]。由于鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的不規(guī)則，腐蝕凹坑的圓滑處理首先是按其外接矩形規(guī)則化為長軸長度、短軸長度以及深度分別為2A、2B及C的半橢球形凹坑，然后進(jìn)行清潔打磨。在進(jìn)行打磨時要等砂輪機(jī)的砂輪正常運(yùn)轉(zhuǎn)后才能使用。開始磨削時，壓力容器不能猛壓在砂輪上，要逐漸施加壓力。磨削時，應(yīng)照顧到砂輪的均勻磨損，要盡量避免使用砂輪側(cè)面[6]。采用物理或化學(xué)方法進(jìn)行清洗和處理，能使其露出原材料，以便更好地進(jìn)行檢驗評定。

1.3 計算無量綱參數(shù)以及評定腐蝕凹坑安全等級

腐蝕凹坑在經(jīng)過圓滑處理后其表面光滑，過渡平緩，蝕坑周圍也沒有潛在或明顯的其他缺陷。蝕坑也不靠近幾何不連續(xù)或存在尖銳菱角的區(qū)域。在計算無量綱參數(shù)之前，為保證計算結(jié)果的科學(xué)性，壓力容器不得處于承受外壓或疲勞載荷的狀態(tài)，且不可使用劣質(zhì)材料，要根據(jù)鋁合金壓力容器的設(shè)計規(guī)格來選擇相應(yīng)的材料。此外，蝕坑的深度要小于壁厚的三分之一，蝕坑底部的最小厚度要大于3mm，蝕坑的半寬要大于蝕坑深度的3倍，以保證計算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑無量綱參數(shù)的計算公式如下：

式中G0為無量綱參數(shù)；C為腐蝕凹坑的深度；T為腐蝕凹坑所在部位壓力容器的壁厚，單位mm；A為腐蝕凹坑的半長；R為壓力容器的平均半徑，單位mm。

通過公式計算出無量綱參數(shù)，以其結(jié)果進(jìn)行安全評定。當(dāng)腐蝕凹坑超過壁厚余量范圍，且凹坑不能滿足表面光滑，過渡平緩7個條件，大于等于0.10時，則凹坑是不允許的，其安全等級定為5級[7-8]。然后根據(jù)其安全等級提出相應(yīng)的整改方案，最終完成鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定，如圖2所示：

圖2 鋁合金壓力容器腐蝕凹坑的檢驗評定示意圖

2 仿真實驗及結(jié)果分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了保證提出的鋁合金壓力容器腐蝕凹坑檢驗評定方法的有效性，進(jìn)行仿真試驗。選取的蝕坑數(shù)據(jù)見表1。

表1 蝕坑表征數(shù)據(jù)信息

為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，蝕坑都是經(jīng)圓滑過渡處理，表面光滑、過渡平緩，無其他表面缺陷和埋藏缺陷。蝕坑不靠近幾何不連續(xù)區(qū)域或者存在尖銳棱角的區(qū)域，且容器不承受外壓或疲勞載荷，均滿足蝕坑的深度小于壁厚三分之一，蝕坑底部最小厚度大于3mm，蝕坑半寬大于蝕坑深度3倍的條件。以提出的檢驗評定方法為實驗組，傳統(tǒng)的方法為對照組，由于實驗組與對照組方法的不同，無法對其進(jìn)行直接的對比分析。為此，采用統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與對比分析。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

以上述的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行實驗，對鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑的檢驗評定進(jìn)行實驗。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

由上表可見，實驗組的準(zhǔn)確率明顯高于對照組的準(zhǔn)確率，實驗組檢驗評定腐蝕凹坑的準(zhǔn)確率最大可達(dá)到97.2%，而對照組的準(zhǔn)確率最大為76.5%，實驗數(shù)據(jù)表明提出的鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑檢驗評定方法具備極高的有效性。

3 結(jié)束語

基于壓力容器腐蝕凹坑的缺陷處理、應(yīng)力分析、有限元分析以及無量綱參數(shù)的計算，提出的鋁合金壓力容器局部腐蝕凹坑檢驗評定的方法實現(xiàn)了對腐蝕凹坑的安全評定，為合理使用壓力容器以及延長壓力容器的運(yùn)行壽命提供了依據(jù)，但是其仍然存在較大的上升空間，因此，需要對其進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。