在役罐车裂纹缺陷分析及检测

孙 敏

（山东职业学院，山东 济南 250104）

在役罐车裂纹缺陷分析及检测

孙 敏

（山东职业学院，山东 济南 250104）

铁路罐车是行走在铁路线上的主要车体之一，其运载物的特殊性及安全性值得广大民众的重视和了解。本文由铁路罐车自身的特点，推出其可能存在缺陷的种类，在此基础上，分析罐车在交变应力载荷作用下，裂纹缺陷扩展情况。根据实际罐车的受力情况，利用ANSYS分析法建立罐车模型，进而模拟在不同的裂纹尺寸下，缺陷处所受应力值的大小，得出影响裂纹缺陷扩展的主要因素。最后，从安全运行方面考虑，介绍了几种检测缺陷存在的方法，为罐车中缺陷的提前检出和预防提出切实可行的措施。

罐车；缺陷；应力分析；无损检测

1 在役罐车腐蚀缺陷的产生

铁路罐车是铁路货车的一种，主要用来运输酸、碱、液化气、军工特种设备等危化品。罐车运输有着得天独厚的优势，其成本低、运输量大、全年不间断运输的有利特点，使得我国铁路危化品运输量达到近2亿吨，其安全评定问题也逐渐被相关部门重视。

常压铁路罐车的车体属于筒形压力容器，在运载硫酸的过程中，罐底的聚液窝、罐体进风管等地方都会受到硫酸不同程度的腐蚀。此外，罐体内的气体空间把罐体内壁分成两部分，即经硫酸钝化后的表面及未经钝化继续被腐蚀的表面。长此以往，罐体厚度将严重减薄，在载荷的作用下，极易出现裂纹等类似缺陷。

2 常见裂纹缺陷类型及裂纹扩展分析

按照几何类型分类，裂纹可以分为穿透裂纹、表面裂纹、埋藏裂纹等。按照裂纹的受力和断裂特征分类，裂纹可以分为张开型、滑移型、撕裂型等。表面张开型裂纹所受的拉应力垂直于裂纹扩展面上，裂纹上下面沿着作用力方向张开，裂纹向前扩展，是比较典型的裂纹缺陷。

罐体在交变应力作用下，产生疲劳裂纹的几率显著增大。疲劳裂纹的扩展可以用疲劳扩展速率图表示。

图1 疲劳扩展速率图

图1为疲劳扩展速率图，从图中可以看出，疲劳裂纹的扩展分为三个时间段，一是位于不扩展阶段的Ⅰ区，亦称近门槛区，当应力强度因子△Kth＜△Kh时，疲劳裂纹不继续扩展。第Ⅱ时间段是裂纹扩展寿命的决定阶段，称为中部区。第Ⅲ阶段裂纹快速扩展，为裂纹失稳扩展区。

设定被检尺寸为ɑ，被检尺寸承受应力循环次数为N，则关于裂纹扩展速率如式（1）所示。

1961年,美国人Paris提出了在恒载荷作用下计算裂纹扩展寿命的表达式，其计算表达式如式（2）所示。

其中，C、m是受环境因素影响的材料常数。

当应力强度因子幅值△K小于某个数时，裂纹不会扩展。当裂纹处于高应力循环载荷的作用下时，裂纹扩展情况可以用此时的△K计算：

其中，△σ是裂纹处应力幅值，Y为构件与裂纹尺寸的函数。

由以上各式可得疲劳寿命的求解公式：

其中，αc为裂纹临界尺寸大小；α0为裂纹初始尺寸大小。据此，可以利用Paris公式预测裂纹疲劳使用时的剩余寿命长短。

3 罐车裂纹受载情况分析

高速运行的罐车所受静载荷主要是其自重、载重，动载荷主要是在某个构件在外力作用下速度发生改变，产生较大的加速度时产生的，大体上分为垂直载荷、纵向载荷、惯性力等几种受力情况。利用ANSYS有限元分析法，可以较为直观的分析出在不同的载荷作用下，对于不同的罐车裂纹大小，其所能够承受的应力大小。

图2 罐车1/4模型

以罐车受到垂直和纵向载荷以及罐车内部装载物的压力为例，取罐车底部中心处的裂纹缺陷为研究对象，据此建立研究对象如图2所示。利用ANSYS有限元分析法，可得不同深度裂纹处应力分布情况如表1及图3所示。

表1 不同裂纹深度、长度的应力分布情况 单位：MPa

由以上数据可以得出如下结论：（1）罐车在所受载荷和裂纹深度不变的情况下，所受应力值将随着裂纹长度与深度的增加而增加，其中裂纹深度值起主要作用。（2）当裂纹尺寸增大到一定程度时，应力增大的幅度减缓，最终将保持在一定范围内。

图3 裂纹深度1mm，长度20mm时，应力分布图

4 罐车缺陷无损检测技术

运用以上理论方面分析研究的影响罐车缺陷的因素，结合在实际生活中常用的罐车缺陷无损检测方法，可以大大提高罐车在铁路上行驶的安全性和可靠性。

常用的无损检测方法主要有表面检测、超声检测、磁粉检测等三种。表面检测主要针对的是罐车加工中焊缝表面存在的缺陷进行检测；超声检测主要针对罐体内部缺陷进行探伤；磁粉检测通过外加设备在缺陷处形成漏磁场，依据磁粉能够根据漏磁场大小的不同而改变聚集的部位和形状的特点，进行缺陷的定位和查找。

总之，无论采用何种无损检测方法，都应在综合考虑罐车载重、行驶路况、装载物、运行里程数等多种因素的情况下，定时监测，确保罐车安全行驶。

5 总结

本文通过预测铁路罐车中可能存在缺陷，应用在应力载荷作用下缺陷疲劳寿命的计算式，估算缺陷罐车寿命。进而通过ANSYS有限元分析法，建立罐车模型，分析得出影响裂纹缺陷扩展趋势的主要因素。最后，为进一步提高罐车行驶的安全性，从缺陷无损检测方面考虑，为其缺陷的控制和预防提出切实可操作的建议。

[1]李丽茹.表面检测[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]方安千.承压设备安全评定技术的发展和应用[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]洪起超.工程断裂力学基础 [M].上海：上海交通大学出版社，2007.

[4]刘鸣放，刘胜新.金属材料力学性能手册[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]李喜梦.无损检测[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]曾攀，雷丽萍，方刚.基于ANSYS平台有限元分析手册-结构的建模与分析[M].背景：机械工业出版社，2011.

[7]董云峰,崔亚萍.理论力学[M].北京：清华大学出版社，2010.

（责任编辑：陈 辉）

Analysis and Detection of Cracks in Tanks in Service

SUN Min
(Shandong Polytechnic,Ji'nan,Shandong,250104)

Railway Tank is the main body running on the railway line,its cargo’s particularity and safety deserves people's attention and understanding.From the characteristics of railway tank,this article infers its possible defect types,and on this basis,analyses tank’s crack propagation situation under alternating stress loading.Then according to the actual load conditions of tank car,this article also establishes the model by using ANSYS,and the simulation of crack size under different premises and defect stress value helps to obtain the main factors affecting crack propagation.Finally,in terms of the safe operation,the paper introduces several methods of defects detection,so as to facilitate early detection and prevention of defects in tanks.

tanks;defects;stress analysis;nondestructive testing

G741

A

123（2014）02-0034-03

2013-11-07

孙 敏(1984-)，女，山东枣庄人，山东职业学院，硕士。研究方向：无损检测。