《武汉工程大学学报》 2014年02期
68-72
出版日期：2014-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
大型储罐大角焊缝裂纹的可靠性分析
0引言储罐是储备原油、液体化工原料及其它产品的专用设备，具有高危险性，一旦失效，后果非常严重.目前所进行的大量理论分析均表明，储罐大角焊缝处是应力最大的局部区域之一，也是最危险的区域，这在多起事故中也有体现.如1974年12月日本水岛炼厂5×104 m3油罐在搭脚焊缝处发生脆裂事故，1988年9月湖北荆门炼油厂5×104 m3油罐角焊缝出现破裂造成事故.发生事故的根本原因在于，大角焊缝处应力高，材料为低合金高强度钢，内部缺陷易于扩展，造成脆性断裂破坏或低周期应力破坏.因此，在对储罐进行安全评定时，大角焊缝裂纹的可靠性分析显得极为重要.笔者分别采用基于应力－强度干涉模型的一次二阶矩法和基于ANSYS含裂纹平板的可靠性分析方法对大型储罐角焊缝裂纹的可靠性进行研究.1应力强度干涉理论的可靠性分析由概率断裂力学可知，构件是否失效取决于裂纹尺寸的大小及其扩展的速率.当构件中的裂纹尺寸达到临界值，将引起材料的失效.角焊缝裂纹尖端应力强度因子KI 低于临界应力强度因子KISCC时，裂纹不产生扩展；一旦超过KISCC，裂纹将可能扩展，影响储罐的安全运行［1］.从理论上讲，由于影响裂纹扩展的因素很多且具有随机性，但最终还是体现在应力强度因子KI上.应力强度因子KI断裂判据为：KI≤KIC（材料断裂韧度）.根据应力强度干涉理论，由于KI和KIC都是呈分布状态，可以把应力强度因子KI看作应力，把材料断裂韧度KIC看作强度.假设KI和KIC均服从正态分布，在KI＜KIC时计算裂纹扩展的可靠度，可以为风险评估提供可靠性的数值依据［2］.笔者根据某检测机构提供的数据，以10×104 m3大型储罐为例，计算角焊缝裂纹扩展的可靠度.假设角焊缝处Ⅰ型未穿透裂纹各参数均服从正态分布，见表1.表1裂纹各参数数字特征Table1Numerical characteristics of the crack parameters参数裂纹半长度a/mm拉应力P/MPa断裂韧度KIC/MPa·mm1/2均值μ1200500标准差σ0.22050尖端应力强度因子KI的计算公式为：KI=YPπa(1)式（1）中：Y为几何因子，与载荷无关，而与几何变数（裂纹长度或位置、物体形状等）有关［3］.笔者所探讨的角焊缝裂纹可视为有限宽的长条板有中心裂纹，受到无穷远的均匀拉伸，记裂纹半长度为a、板宽为h，由于a<