高压灭火剂储瓶的断裂强度分析.doc

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1、高压灭火剂储瓶的断裂强度分析孙卫东路景志（江苏省消防局）（南京理工大学）摘要：本文用断裂力学理论对高压灭火剂储瓶进行了断裂强度分析。着重介绍了高压灭火剂储瓶的应力强度因子的计算方法、设计准则及破坏机理，并通过计算举例说明高压灭火剂储瓶断裂强度设计的方法。关键词：断裂力学断裂韧性应力强度因子低应力脆断1概述高压灭火剂储瓶是固定灭火系统的重要组成部分，属于特种高压容器范围。其本身的结构强度将直接影响到灭火系统的使用性能和用户的人身安全。随着科学技术的进步和工业化生产的发展，各种承压设备不断向大型化、高性能化发展，同时，随着高

2、强度钢和超高强度钢的广泛采用，高压容器的承压能力也越来越高。然而，与之相伴而来不断发生的，一系列常规强度理论无法解释的低应力脆断事故，让人费解。从1943～1947年美国5000艘全焊接“自由轮”系列中发生了1000次脆性破坏事故；，1950年美国北极星导弹发动机壳体在试验时突然发生爆炸，材料的强度和韧性指标均符合常规设计标准，爆炸时的应力远低于许用应力；1965年美国的固体火箭发动机再次发生低应力脆断；1965年英国JohnThompson公司大型合成氨塔试验时发生爆炸；1966年英国Cokenzie大型电站压力容器发

3、生爆炸；近年来国内外多起高压灭火剂储瓶发生爆炸，其爆炸时的应力都远低于材料的设计许用应力。经过大量的研究发现，产生这种低应力脆断的根本原因，是由于结构材料内部（或表面）存在裂纹（或类裂纹）造成的。在对裂纹体进行研究的过程中产生了一门新的学科—-断裂力学。断裂力学理论，是用来研究和解决工程中的低应力脆断问题的科学。2材料的强度与断裂韧性断裂力学与经典材料力学的根本区别就在于，经典的材料力学是研究无缺陷连续均质材料的强度问题，而断裂力学则是专门研究带有裂纹材料的破坏问题。断裂力学是运用弹性力学和塑性力学理论，研究裂纹体强度和

4、裂纹扩展规律的一门科学。断裂力学理论认为，在材料的冶炼和加工制造过程中，均不同程度地存在着不可避免的内部裂纹或表面裂纹（如钢材冶炼和构件焊接过程中的夹杂、脱焊、咬边及机械加工过程中的拉伤、划痕等）。材料发生断裂是由于裂纹在应力作用下不断扩张而造成的。描述材料的断裂韧性，通常用应力强度因子K1来表示。根据弹性力学理论，材料的裂纹尖端附近任意一点的应力分量为：x=式中和r-----为该点的极坐标，由它们来确定该点相对于裂纹尖端的位置。--正应力（名义应力）从上面方程组可以看出，各应力分量中均有一个共同的因子K1（）,它表示裂

5、纹在名义应力作用下处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱。裂纹尖端附近各点的应力，不仅与名义应力有关，而且由于裂纹的存在被大大提高了。因此，用K1作为表示裂纹尖端附近应力场强弱的因子，简称应力强度因子。一般情况下K1=Y式中Y---裂纹形状因子，是个无量纲的系数。K1的单位是公斤/毫米3/2。当一个有裂纹的构件上的作用力逐渐加大，裂纹逐渐扩张，裂纹尖端的应力强度因子K1也随之增大，当达到某一临界值K1C时，构件中的裂纹突然失稳扩张，造成构件断裂。把这个临界应力强度因子K1C，称为材料的断裂韧性。这是一个描述材料机械

6、性能的物理量，它与构件的受力状态和裂纹尺寸无关。各种材料的断裂韧性K1C的值，都是通过标准试样实验测得的。常用材料的断裂韧性K1C可以从材料手册上查得。大量的事实证明，不考虑材料的断裂韧性，只追求其强度高，结果使得压力容器在应力远低于材料屈服极限（通常不到的一半）的情况下就发生断裂。这主要是由于随着材料的强度提高，断裂韧性显著下降的结果。实验证明，材料的强度越高，对裂纹的敏感性越大，即断裂韧性越差。如图1所示。图1合金结构钢K1C～σS关系图材料名称K1C（kg/mm2）45＃155203~20935＃74.576.52

7、15`~265球墨铸铁13316571~73141铝合金50~556147~6740SiMnCrMoV68.578.514632SiMnCrMoV17318525334SiMnCrM0V17018132418Ni马氏体时效钢17018322040SiMnMOV16517621430CrMnSiA108143361~`38960Si2Mn150162274~29255SiMnMo100~110141~16130SiMnCrM0120409~43640NiCrMo18321023740MnB2301007825MnV6006

8、040图1中的曲线是根据目前部分材料的强度和断裂韧性数值作成的。显然，当材料的屈服强度大于100（公斤/毫米2）时，其断裂韧性急剧下降。这也是高强度压力容器易发生低应力脆断的主要原因。。图2钢材的比韧度鉴于上述原因，目前有人认为用比韧度（即K1C/）来作为高强度压力容器材料选择准则比较全面。认为这样既考虑了材料的强度