对钛合金高压容器的失效机制的分析.pdf
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1、为确保钛合金压力容器失效机制分析的精准性,本次研究提出采用热力耦合模拟的方式进行失效机制检测,利用微观分析法和有限元软件模型分析法来对 TC18 钛合金压力容器进行承压检验。整个实验过程利用 JR-3DSS 光学扫描仪来确定钛合金高压容器表面情况,并利用相关公式计算容器性能。研究表明,造成钛合金高压容器断裂的主要原因为腐蚀和高压气体冲击容器的薄弱位置形成沟槽,在冲击荷载和腐蚀的相互作用凸显为断裂特征。关键词:钛合金;高压容器;失效机制 引言 钛合金材料广泛应用于航天、海洋工程、化工、电力、冶金等多个领域,具有抗拉强度高、耐腐蚀、比重小等特点,且能够满足冷加工、热加工需求。从钛合金高压容器用途的
2、角度来看,在制造过程中需要进行材料焊接,一些焊缝区域存在晶粒粗大情况,因此会存在裂纹、气孔等缺陷,需要采用热处理办法提升其质量,细化晶粒。但存在处理质量不佳的问题,加之钛合金高压容器使用过程中,由于压力波动会导致内部温度计波动及内部液体振荡情况,若介质腐蚀性高,则会进一步加剧钛合金断裂问题,构件连接处疲劳失效。而由于高压容器内温度计形态的变化,对失效机制的分析存在不精准问题,应采用有限元仿真方式对钛合金高压容器内部的温度计应力情况进行分析,同时根据数据信息了解容器使用年限,以此为基准降低影响。1 钛合金材料及状态 本次所研究的钛合金材料为 TC18,其成分表详见表 1。根据对钛合金高压容器的双
3、态组织能够发现,其强度和韧性均比较好,使用环境为 25MPa 压力,介质为高纯氮气,在压力作用下导致容器断裂失效。为-9-www.ivypub.org/med 详细了解失效原因,对裂纹性质进行断口电镜取样及扫描观察,为典型端口和剪切带孔洞,断口宏观外貌为:色泽灰暗、且粗糙,呈现纤维状,有剪切唇,约 45,存在明显塑性变形情况。整体未发现韧窝材料形变后出现连接、聚集现象等特征,不属于韧性断裂。断口组织部分还存在“河流状花样”“小平面”等特征,部分位置发现少量的韧窝情况,且尺寸、深浅多样,如图 1所示。针对焊缝进行显微观察,发现存在等轴晶体粗大情况,枝晶含量多,焊接机热影响区存在析出相,主要由于热
4、处理不彻底。表 1 高压容器钛合金成分表 成分 Al Mo V Cr Fe Ti 质量分数 4.4-5.7 4.0-5.5 4.0-5.5 0.5-1.5 0.5-1.5 余量 图 1 钛合金高压容器表面状态 2 钛合金高压容器失效分析 2.1 有限元模型 2.1.1创建模型 以 TC18 材料制作的钛合金高压容器,由于热膨胀不均匀或其他约束原因而导致的热应力问题,会形成交变温度场,在这一环境下运作热应力循环会使得容器表面出现材料剥落情况,表现为表面出现凹陷、麻点等。当钛合金高压容器磨损情况逐渐突破某一限值后,材料的强度和刚度降低,经过长期性的表面微观变化以及容器使用过程中的重复性应力作用,会
5、导致其发生变形或出现裂纹。当钛合金高压容器在交变荷载状态中,原有的细小裂纹会逐渐扩大,形成沟槽后会受到腐蚀环境的影响,造成腐蚀失效。一般情况下,钛合金高压容器应用环境为变温环境,开始运作后温度升高,停止后会降低,存在瞬时变化波动,若温差较大时会影响热应力情况,加重容器表面及内部的塑性变形程度,造成开裂1。本次研究针对热应力差异进行分析,并引入 Abaqus 有限元软件构建模型,分析 TC18 材料的钛合金高压容器失效机制,截取容器结构中部分危险板材,如图 2 为钛合金容器截取板材的热应力输出云图,最大应力22.52MPa,可应用于疲劳寿命计算。结合高压容器形态创建模型,包括主螺栓、筒体、顶盖及
6、垫圈等,保证模型的完整性,对容器结构参数进行详细记录,为后续的对比分析提供数据参考。本次研究为提升效率,制作模型时简化部分结构,便于模型创建。详细注意事项如下:(1)先进性前处理,构建几何模型,主螺栓部分用圆柱体弹性元件代替,并保证圆柱体的底部与筒体相连接;-10-www.ivypub.org/med(2)针对主螺栓与顶盖之间的空气孔隙导温可以忽略;(3)压力容器下半部分的筒体与顶盖部分的接管处可以省略;(4)针对钛合金压力容器中的环向对称部分,在创建模型时可根据实际需求选择某一部分。图 2 热应力云图 2.1.2网格规划 模型建立完成后,需要结合钛合金压力容器热处理情况对不同的位置进行网格式
7、划分,保证最终的压力容器结构有限元模型的不同形态均在不同网格结构中,针对模型中的转角部分、连接缝隙部分需要适当增加网格数量。本次研究在有限元模型中选择 30335个单元和 25791个单元节点,如图 3 为容器部分有限元模型。对有限元模型定义约束条件,针对筒体底端以及筒体与主螺栓之间的位置增加特定约束,并在筒体和主螺栓之间增加捆绑约束。在筒体与堆焊层、垫圈之间增加接触约束,同样解除约束还要增加在顶盖与堆焊层、垫圈与顶盖和主螺栓之间,控制接触面摩擦力,数值为 0.28。图 3 有限元模型 2.2 周高、低疲劳断裂失效 造成容器疲劳断裂的主要原因在于长期且反复受到交变载荷的影响,导致容器损伤情况累
8、积,造成零部件失效。可将失效分为高周疲劳失效和低周疲劳失效。其中,高周疲劳失效原因常见于压气机震颤、振动,导致叶片疲劳。本次研究利用有限元软件构建模型,结合钛合金材料特点,明确高周疲劳对组织形态表面状态相对敏感,且缺陷敏感性较大,因此,试验数据分散性较大。钛合金周高疲劳断裂缺陷敏感性可以根据试样表面情况、残余应力等来判断。钛合金发生高周疲劳破坏的主要原因在于高频振荡,其中,部分构件已经存在微小问题时,其振动所造成的影响力会更大2。针对低周疲劳断裂,主要由于交变载荷作用-11-www.ivypub.org/med 下塑性应变循环导致低周疲劳,寿命较短,一般在 105周次以内,在退火状态下,钛合金
9、的地周疲劳表现为循环软化,在这一情况下,钛合金高压容器构件会由于应力控制而出现构件失效。2.3 瞬态温度计热应力 为详细分析钛合金压力容器的失效原因,通过顺序耦合法展开对高压容器的热应力运算,设置温度升高过程的参数,根据瞬时温度进场进行运算,计算载荷,再试压计算热应力。以钛合金高压容器实际应用情况为依据,将原始边界温度施加到容器内壁部分,为满足瞬态温度变换这一条件,在试验中采用升温、保温、升温、保温的方式控制温度,钛合金高压容器外表与外界隔离,并对温度进行运算,获得温度场分布后再根据节点温度计算热应力。根据结构划分网格来对耦合热应力展开分析。针对热应力的运算过程,主要步骤如下:(1)向钛合金高
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