鈦合金氣瓶水壓爆破試驗研究

范國金，范俊明，譚孝盼，李世楷

成都格瑞特高壓容器有限責(zé)任公司 四川成都 610400

1 序言

高壓氣瓶用于盛裝永久性氣體或高壓液化氣體，被廣泛用于工礦、建筑、交通、海洋、航空、醫(yī)療及軍事等國民經(jīng)濟(jì)各部門[1]。鈦合金與鋁合金、鋼相比，具有良好的耐蝕性、高的比強(qiáng)度和比模量，此外，它的韌性、高溫強(qiáng)度、蠕變阻尼、成形性、焊接性和可加工性都很好，因此在航空航天和海洋環(huán)境得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]。特別是在具有腐蝕條件下且對重量有較高要求的應(yīng)用場合，鈦合金氣瓶相比鋁合金氣瓶、鋼質(zhì)氣瓶具有明顯的優(yōu)勢。

作為一種失效后會產(chǎn)生較大危害性的特種設(shè)備[3]，一旦發(fā)生破裂，氣瓶內(nèi)部高壓氣體急劇膨脹，能量瞬時釋放引發(fā)爆炸，爆炸沖擊波攜帶氣瓶碎塊高速飛散，不但使周圍設(shè)備和建筑物遭到損壞，同時還會造成較大的人身傷亡[4-6]。因此，高壓氣瓶爆破試驗結(jié)果將直接影響氣瓶的安全質(zhì)量[7]。

爆破試驗是氣瓶、壓力容器行業(yè)常規(guī)檢測手段。G B/T 5099.1—2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶 第1部分：淬火后回火處理的抗拉強(qiáng)度小于1100MPa的鋼瓶》和ISO 9809.1：2010《氣瓶 可重復(fù)充裝的無縫鋼氣瓶設(shè)計、結(jié)構(gòu)和試驗 第1部分 抗拉強(qiáng)度低于1100MPa的淬火加回火鋼瓶》均要求鋼質(zhì)無縫氣瓶實測爆破壓力和實測屈服應(yīng)力不得小于要求值，同時要求破口形狀滿足相應(yīng)要求。目前，鈦合金氣瓶制造檢驗驗收尚無國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鈦合金氣瓶的爆破試驗合格判據(jù)也主要參照GB/T 5099.1—2017執(zhí)行。但鈦瓶的制造工藝以及材料性能均與鋼瓶有較大的差異，用鈦瓶參考鋼瓶的爆破試驗合格判據(jù)是否適宜，目前存在較大爭議。

本文結(jié)合鈦瓶在苛刻條件下預(yù)制缺陷的爆破試驗，通過靜力學(xué)分析、爆破試驗中的屈服壓力計算和爆破能計算，確定鈦瓶爆破試驗起爆點位置分布規(guī)律、塑性爆破臨界壓力和在正常情況可能存在的破口形式，以探索鈦瓶水壓爆破試驗的合格判據(jù)。

2 試驗描述

近日，筆者開展了鈦瓶在苛刻條件下的爆破試驗研究。試驗前在試件封頭相貫線80mm位置預(yù)制縱向缺陷，缺陷長度20mm，缺陷深度2.5mm，如圖1所示。試驗結(jié)果見表1。爆破試驗的起爆口不在預(yù)制缺陷位置，如圖2所示。

表1 實際試驗數(shù)據(jù)

圖1 預(yù)制縱向缺陷

圖2 實測爆破位置

3 靜力學(xué)分析

3.1 有限元模擬

在鈦瓶爆破試驗時，端頭端連接試壓管道，另一端堵頭焊接，為ux、uy、uz的全約束形式。鈦瓶實際爆破壓力為134.652MPa，分析在134.5MPa作為臨界狀態(tài)下，鈦瓶應(yīng)力分析如下。

總體薄膜應(yīng)力Von Mises分布如圖3所示。

圖3 Von Mises應(yīng)力

x、y、z方向的拉應(yīng)力Sx、Sy、Sz分布如圖4～圖6所示。

圖4 Sx應(yīng)力

圖5 Sy應(yīng)力

圖6 Sz應(yīng)力

xz方向的剪應(yīng)力如圖7所示。

圖7 xz方向的剪應(yīng)力

應(yīng)力過渡界面如圖8所示。

圖8 應(yīng)力過渡界面

3.2 模擬說明

鈦瓶系中線對稱和軸對稱，上述應(yīng)力同樣為中線對稱和軸對稱分布。由圖3～圖7可發(fā)現(xiàn)，鈦瓶在134.5MPa臨界壓力狀態(tài)下，總體薄膜應(yīng)力和剪應(yīng)力最大值均發(fā)生在筒體上。通過圖6測量，總體薄膜應(yīng)力和剪應(yīng)力過渡截面為離封頭相貫線軸向方向50mm處，而最大值位于相貫線軸向方向約150mm處，即從該截面至封頭兩端應(yīng)力呈下降趨勢。從該截面至中線對稱截面區(qū)域應(yīng)力均為最大值（見圖3紅色區(qū)域）。在理論情況下，當(dāng)認(rèn)為鈦瓶性能各向同性時，鈦瓶爆破起爆口位于鈦瓶筒體應(yīng)力最大值紅色區(qū)域任意位置。

按照上述有限元分析：鈦瓶爆破起爆口位于鈦瓶筒體應(yīng)力最大值紅色區(qū)域任意位置。由于彎矩的原因，越靠近封頭相貫線的位置，受到封頭的約束越大，這種約束足以抵消壁薄的因素。這就是為什么本次預(yù)制缺陷的爆破試驗的起爆口不在預(yù)制缺陷位置的原因。

4 爆破壓力計算

4.1 最小應(yīng)爆壓力的依據(jù)

GJB 5049—2001《潛艇用高壓空氣瓶通用規(guī)范》規(guī)定空氣瓶的設(shè)計應(yīng)爆壓力為

式中Pb——設(shè)計應(yīng)爆壓力（MPa）；

Rm——抗拉強(qiáng)度（MPa）；

C——系數(shù)，正火取C＝1；

s——設(shè)計壁厚（mm）；

D0——公稱外徑（mm）。

帶入鈦瓶設(shè)計參數(shù)，由式（1）計算得Pb≥99.41MPa

4.2 爆破屈服壓力計算

在爆破試驗條件下，鈦瓶爆破屈服壓力計算式[8]為

式中Ps——爆破屈服壓力（MPa）；

σs——屈服強(qiáng)度（MPa）；

k——外徑與內(nèi)徑之比。

本次爆破試驗樣瓶實際屈服強(qiáng)度為776MPa，由式（2）計算得

4.3 計算分析說明

高壓氣瓶的爆破形式分為塑性爆破和脆性爆破。塑性爆破是指氣瓶承受應(yīng)力超過材料屈服點而發(fā)生屈服變形后的塑性失穩(wěn)，試驗壓力超過爆破屈服壓力。而脆性爆破是指氣瓶爆破時尚未發(fā)生塑性變形，承受應(yīng)力尚未超過材料屈服點而發(fā)生的脆性失穩(wěn)，爆破壓力低于爆破屈服壓力。

由計算可見，本次爆破試驗計算爆破屈服壓力為106MPa，而實際采集值明顯高于計算值，則本次爆破試驗從壓力角度看，系塑性爆破。

5 爆破能計算

5.1 計算背景

鈦瓶爆破試驗發(fā)生破裂時，由于爆破能瞬間釋放造成裂紋高速擴(kuò)展，根據(jù)英國科學(xué)家哥瑞斯的斷裂能量準(zhǔn)則：裂紋擴(kuò)展的長度和變形量與斷裂能量呈正相關(guān)。

由于鈦瓶爆破試驗的破口研究屬于典型的斷裂動力學(xué)范疇，因此采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究方法，需考慮和研究物體慣性、固體在高速加載或裂紋高速擴(kuò)展下的斷裂規(guī)律。包括：裂紋在高速加載下的響應(yīng)及起始和失穩(wěn)擴(kuò)展準(zhǔn)則，高速擴(kuò)展裂紋的分叉判據(jù)，高速擴(kuò)展裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場，裂紋高速擴(kuò)展的停止（止裂）原理，以及裂紋高速擴(kuò)展的極限速度等。目前，該理論尚無系統(tǒng)研究成果，為此本文只進(jìn)行不同爆破壓力情況下爆破能的計算比較，定性分析不同爆破能對破口的影響趨勢。

5.2 爆破能計算

爆破瞬間，鈦瓶的爆破能W計算見式（3），即

式中W——爆破能（J）；

W1——鈦瓶爆破試驗壓力下的應(yīng)變能（J）；

W2——鈦瓶爆破試驗壓力下水的壓縮能（J）。（1）鈦瓶爆破試驗壓力下的應(yīng)變能 其計算式為

式中ε——各向應(yīng)變；

V——材料體積（m3）；

E——材料彈性模量（Pa）。

如果在線彈性條件下，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比的情況下，根據(jù)廣義胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系[9]為

式中σj——筒體部分的徑向應(yīng)力（MPa）；

σz——筒體部分的軸向應(yīng)力（MPa）；

σf——封頭處的周向應(yīng)力（MPa）。

對于圓柱形殼體：

對于球形封頭：

式中P——殼體承受的內(nèi)壓（MPa）；

D——筒體直徑（mm）；

δ——筒體壁厚（mm）。

但是，鈦瓶在爆破瞬間，局部區(qū)域已經(jīng)發(fā)生塑性變形，這部分塑性變形不會因卸載全部復(fù)位而形成殘余變形。本次鈦瓶爆破容積變形率為11.2%，則近似認(rèn)為有11.2%應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為了塑性變形，因此式（4）改為

假設(shè)鈦瓶在100M P a、106M P a、110M P a、120MPa、134.56MPa不同壓力情況下起爆，相應(yīng)的應(yīng)變能計算見表2。

表2 不同壓力情況下的應(yīng)變能

（2）鈦瓶爆破試驗壓力下水的壓縮能 在高壓情況下，水為線彈性屬性，水的壓縮能為

式中P——內(nèi)壓（MPa）；

ΔV——壓入水量（L）。

本次爆破試驗時采集壓入水量值見表3。不同壓力條件下，水的壓縮能見表4。

表3 不同壓力情況下的壓入水量

表4 不同壓力情況下的壓縮能

（3）爆破能值 按式（3）匯總表3、表4，不同壓力條件下爆破能見表5。

表5 不同壓力情況下爆破能

由表5可看出，爆破壓力越大，爆破能也越大，134.56MPa時的爆破能是100MPa爆破能的2.52倍。

5.3 破口形式分析

高壓氣瓶塑性爆破破口以剪切破壞為主、受拉斷裂為輔。針對氣瓶的破口形狀，目前只有GB/T 5099.1—2017對鋼瓶有描述，因此對于鈦瓶沒有借鑒的先例。

GB/T 5099.1—2017適用于工作壓力≤30MPa、容積≤150L的鋼瓶。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：鋼瓶破口應(yīng)無碎片，破口應(yīng)在筒體上，破口裂縫不得引伸到瓶口；瓶體主破口應(yīng)為塑性斷裂；對于平均壁厚＜7.5mm的鋼瓶破口應(yīng)為無開叉破口。哥瑞斯的斷裂能量準(zhǔn)則：裂紋擴(kuò)展的長度和變形量與斷裂能量呈正相關(guān)。按照上述計算，150L/30MPa的鋼瓶爆破壓力約為72MPa左右，其爆破能將遠(yuǎn)小于本次鈦瓶試驗的爆破能。因此，不能用GB/T 5099.1—2017來判別大爆破能的鈦瓶破口是否合格。

在正常情況下，對于高壓大容積鈦合金氣瓶由于具有巨大的爆破能需要釋放，所以氣瓶爆破破口形式存在如下可能。

1）當(dāng)起破口位于瓶體中部時，破口兩端均不會延伸至封頭相貫線處，則破口形式為主破口呈縱向，如圖9所示。

2）當(dāng)起破口位于瓶體單側(cè)靠近封頭，破口段會延伸至封頭相貫線處，則破口形式為主破口呈縱向，破口在相貫線處開叉，魚尾上肩。單魚尾破口上肩形式如圖10所示。

圖10 單魚尾破口上肩形式

3）當(dāng)起破口位于瓶體單側(cè)靠近封頭，破口段會延伸至封頭相貫線處，破口形式為主破口呈縱向，破口在相貫線處拐彎，且拐彎長度不大。破口瓶肩拐彎形式如圖11所示。

圖11 破口瓶肩拐彎形式

4）當(dāng)起破口位于瓶體單側(cè)靠近封頭，破口形式為主破口呈縱向，破口延伸在相貫線處筒體方向拐彎，且拐彎長度較大，受殘余爆破能沖擊作用，拐彎塊被整體折斷脫落。脫落形式如圖12所示。

圖12 拐彎塊被整體折斷脫落形式

5）當(dāng)起破口位于瓶體單側(cè)靠近封頭，破口形式為主破口呈縱向，破口延伸在相貫線處沿相貫線拐彎，且拐彎長度較大，受殘余爆破能沖擊作用，封頭被整體沖擊脫落。脫落前瞬間泄漏噴水狀態(tài)如圖13所示。

圖13 封頭脫落前狀態(tài)

6 結(jié)束語

1）鈦瓶理論爆破起爆口位于鈦瓶筒體應(yīng)力最大值區(qū)域任意位置。

2）正常情況下，實測爆破壓力高于計算爆破屈服壓力，鈦瓶爆破為塑性爆破。

3）高壓大容積鈦合金氣瓶爆破破口存在多種形式。