断裂力学理论下压力容器缺陷检测
断裂力学理论下压力容器缺陷检测
1 压力容器缺陷的产生
压力容器的设计安全技术普遍较高，在正常使用的情况下，容器所受压力均在设计要求的范围
内，即使是采用超声探伤发现气孔、夹渣等缺陷的容器，绝大多数都能够正常安全地运行。
压力容器的主要功能是在一定压力的环境下存储介质，即使介质中含有微量的有害成分，也会
对容器材料的腐蚀、破坏起到决定性的作用。例如液态烃中的微量硫化氢、自来水介质中的微
量氯和氧，都会引起容器的材料的表面氧化层产生破坏，发生应力腐蚀现象。腐蚀的进一步发
展就会产生裂纹。
在压力容器的制造和使用过程中，裂纹是几种缺陷中隐蔽性最高、破坏性较大的一类，这类缺
陷往往发生在焊缝的应力集中处，例如咬边、密集气孔、夹渣等。人们一般认为，在结构中的
缺陷造成应力集中现象越严重，则脆性断裂的危险越大，危害也就越严重[1].
2 断裂力学理论及判据
需要通过超声探测才能发现，但是在裂纹扩展的初期仪器设备几乎很难探测到，而小裂纹在长
期的使用过程中，会出现稳定的增长，最终达到许用的临界值，发生脆性断裂。
传统的结构强度安全的计算判据是 σ<[σ],即工作应力小于许用应力，但是在实际的工程实践过
程中，常常会发生一些底应力破坏的情况，这是因为传统的强度判据将研究对象考虑为理想状
态，忽略了结构内部的缺陷。为了避免这种情况的发生，利用断裂力学研究压力容器的缺陷的
方式应运而生。按照研究对象分类，断裂力学理论包括线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学[2].
2.1 线弹性断裂力学理论及判据
线弹性断裂力学是用弹性力学中的线弹性理论对裂纹体进行力学分析，并采用由此求得的应力
强度因子、能量释放率等特征参量作为判断裂纹扩展规律的准则。这种理论可以用来解决大型
构件和脆性材料的平面应变断裂问题，如果裂纹尖端附近的塑性变形区比较小时，也可以采用
断裂力学进行分析。【1】
当材料的中心出现穿透裂纹，在远场拉应力作用下裂纹张开，若板状样品很薄时可以将其考虑
为平面应力问题，若板状样品很厚时则考虑为平面应变问题。图1 “ ”表示的是一张 无限大 平
板，壁厚可以忽略不计，考虑为平面的应力问题。在材料中心处有一长为 2a 的裂纹，受与裂
纹面相垂直的拉应力 σ 作用，按线弹性断裂力学进行分析，可以得到裂纹尖端的应力分量：
上式表明，裂纹前沿应力场都和 KI 有关，裂纹前端任意一点的应力分量完全由 KI 决定。也就
是说KI “ ”控制了应力场的 强度 , 所以通常称KI “ ”为 应力强度因子 .应力强度因子控制着裂纹尖
端应力场强度，两者之间为正相关，因此应力强度因子可以用来描述裂纹尖端附近应力场强
度。
Irwin 通过一系列实验的结果，统计得到了 KI 的临界值，在平面应变条件下，这种临界值被记
为KIC, “ ”它代表材料阻滞裂纹扩展的一种特性，被称作 断裂韧性.大量实验表明，当KI> KIC
时，裂纹开始发生初始的扩展，此为线弹性断裂力学的判据。
2.2 弹塑性断裂力学理论基础
不同于线弹性断裂力学理论，弹塑性断裂力学适用于裂纹尖端的塑性区尺寸已接近甚至超过裂
纹尺寸的情况[3], 根据研究对象不同，主要分为 J 积分理论和 COD 理论。
2.2.1COD 理论
COD（Crack Opening Displacement ）就是裂纹尖端的张开位移量，通常用 δ 表示，其基本思路
是把材料受到载荷时的裂纹尖端的张开位移 δI 作为一个参量，建立这个参量和外加应力与裂
摘要：
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断裂力学理论下压力容器缺陷检测1压力容器缺陷的产生压力容器的设计安全技术普遍较高，在正常使用的情况下，容器所受压力均在设计要求的范围内，即使是采用超声探伤发现气孔、夹渣等缺陷的容器，绝大多数都能够正常安全地运行。压力容器的主要功能是在一定压力的环境下存储介质，即使介质中含有微量的有害成分，也会对容器材料的腐蚀、破坏起到决定性的作用。例如液态烃中的微量硫化氢、自来水介质中的微量氯和氧，都会引起容器的材料的表面氧化层产生破坏，发生应力腐蚀现象。腐蚀的进一步发展就会产生裂纹。在压力容器的制造和使用过程中，裂纹是几种缺陷中隐蔽性最高、破坏性较大的一类，这类缺陷往往发生在焊缝的应力集中处，例如咬边、密集...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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