铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定方法

沈 强，袁 红

（大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 116016）

由于铝合金压力容器工作环境的原因，极容易造成局部的腐蚀凹坑。大量的腐蚀凹坑会在铝合金压力容器的表面产生局部结构不连续，甚至会在腐蚀凹坑处产生裂纹并引发破裂，严重影响铝合金压力容器的承载能力。因此，对铝合金压力容器局部腐蚀凹坑进行检验评定非常必要。通过对压力容器局部腐蚀凹坑进行应力、有限元弹塑性等力学分析，在此基础上提出以无量纲参数的计算作为铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定方法，从而为压力容器的合理使用提供依据。

1 铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定方法

1.1 压力容器腐蚀凹坑应力分析

铝合金压力容器所承受的载荷一般为内压和外弯矩，在与腐蚀介质接触时，其内、外壁，往往会产生腐蚀凹坑。在进行压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定之前，需要对压力容器的应力集中系数以及容器极限载荷的有限元进行分析。计算出在内压和外弯矩联合作用下压力容器局部腐蚀凹坑的极限载荷以及在载荷作用下产生的应力集中现象，才能进行铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定。铝合金压力容器应力分析主要是分析、求解机械零件和构件等物体内各点的应力和应力分布的方法[1]。其作用主要是确定与机械零件、构件失效有关的危险点的应力集中部位的峰值应力和应变。应力分析主要是通过应力集中系数的计算以分析压力容器局部腐蚀凹坑的应力集中问题。应力系数的计算公式如下：

其中为压力容器局部腐蚀凹坑某一点的应力值，N为该点截面的有轴力，M为弯矩力数值。R0、r0分别为容器内、外壁的半径尺寸。ρS为曲率半径。

收稿日期：2020-03

作者简介：沈强（1977-），男（汉族），吉林洮南人，硕士，工程师，研究方向：锅炉压力容器检验。

其中，K为应力系数，ς为正应力数值

通过压力容器局部腐蚀凹坑的应力系数计算，可以分析出凹坑底部的应力应变最大，应力大小随着测点至凹坑中心的距离的增加呈指数函数形式骤减[2]。压力容器局部腐蚀凹坑的结构强度、刚度分析中的静力、动力、线性以及非线性问题通过有限元的分析得以解决，为之后蚀坑的检验评定提供可靠的数学模型[3]。有限元的计算模型如图1所示，其分析基本步骤如下：

(1)将实际求解离散化，即将求解域划分成节点和单元。

(2)对每个单元建立单元刚度矩阵。

(3)写出节点自由度为未知量的结构整体刚度方程，并将边界条件、初始条件应用到方程中，方程如下：

其中：K是单元刚度矩阵集合，δ是节点的初始数值，R是节点上的自由度值。

(4)根据节点的值和形函数，得到其他的物理量。如应力、支座反力、弯矩图、热流量等。

(5)结果分析。

图1 有限元计算模型

计算模型的边界条件，在轴线与蚀坑中心的纵截面上，其x方向的位移受到限制；蚀坑中心的横截面上，y方向的位移受到约束[4]；容器端部的支承处，z方向的位移为零。计算网络的单元采用8节点三维固体单元。

1.2 凹坑圆滑过渡处理

进行铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定前，要对需要进行检验的压力容器，排放干净内部物质，彻底清除内部的有害气体和液体，并且用盲板隔离其它气体和液体，不能用关闭阀门代替盲板隔离。其次需要对蚀坑的表征、蚀坑所在部位容器的尺寸以及材料的性能进行测量并确定。再次对腐蚀凹坑进行圆滑过渡处理，其目的一是避免蚀坑的应力集中，二是为无量纲参数计算提供几何参数，三是方便铝合金压力容器的整改与维修[5]。由于铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的不规则，腐蚀凹坑的圆滑处理首先是按其外接矩形规则化为长轴长度、短轴长度以及深度分别为2A、2B及C的半椭球形凹坑，然后进行清洁打磨。在进行打磨时要等砂轮机的砂轮正常运转后才能使用。开始磨削时，压力容器不能猛压在砂轮上，要逐渐施加压力。磨削时，应照顾到砂轮的均匀磨损，要尽量避免使用砂轮侧面[6]。采用物理或化学方法进行清洗和处理，能使其露出原材料，以便更好地进行检验评定。

1.3 计算无量纲参数以及评定腐蚀凹坑安全等级

腐蚀凹坑在经过圆滑处理后其表面光滑，过渡平缓，蚀坑周围也没有潜在或明显的其他缺陷。蚀坑也不靠近几何不连续或存在尖锐菱角的区域。在计算无量纲参数之前，为保证计算结果的科学性，压力容器不得处于承受外压或疲劳载荷的状态，且不可使用劣质材料，要根据铝合金压力容器的设计规格来选择相应的材料。此外，蚀坑的深度要小于壁厚的三分之一，蚀坑底部的最小厚度要大于3mm，蚀坑的半宽要大于蚀坑深度的3倍，以保证计算数据的准确性。铝合金压力容器局部腐蚀凹坑无量纲参数的计算公式如下：

式中G0为无量纲参数；C为腐蚀凹坑的深度；T为腐蚀凹坑所在部位压力容器的壁厚，单位mm；A为腐蚀凹坑的半长；R为压力容器的平均半径，单位mm。

通过公式计算出无量纲参数，以其结果进行安全评定。当腐蚀凹坑超过壁厚余量范围，且凹坑不能满足表面光滑，过渡平缓7个条件，大于等于0.10时，则凹坑是不允许的，其安全等级定为5级[7-8]。然后根据其安全等级提出相应的整改方案，最终完成铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定，如图2所示：

图2 铝合金压力容器腐蚀凹坑的检验评定示意图

2 仿真实验及结果分析

2.1 实验数据准备

为了保证提出的铝合金压力容器腐蚀凹坑检验评定方法的有效性，进行仿真试验。选取的蚀坑数据见表1。

表1 蚀坑表征数据信息

为保证实验数据的准确性，蚀坑都是经圆滑过渡处理，表面光滑、过渡平缓，无其他表面缺陷和埋藏缺陷。蚀坑不靠近几何不连续区域或者存在尖锐棱角的区域，且容器不承受外压或疲劳载荷，均满足蚀坑的深度小于壁厚三分之一，蚀坑底部最小厚度大于3mm，蚀坑半宽大于蚀坑深度3倍的条件。以提出的检验评定方法为实验组，传统的方法为对照组，由于实验组与对照组方法的不同，无法对其进行直接的对比分析。为此，采用统计软件对实验数据进行记录与对比分析。

2.2 实验数据分析

以上述的准备数据为依据进行实验，对铝合金压力容器局部腐蚀凹坑的检验评定进行实验。实验数据结果如表2所示。

表2 实验数据结果

由上表可见，实验组的准确率明显高于对照组的准确率，实验组检验评定腐蚀凹坑的准确率最大可达到97.2%，而对照组的准确率最大为76.5%，实验数据表明提出的铝合金压力容器局部腐蚀凹坑检验评定方法具备极高的有效性。

3 结束语

基于压力容器腐蚀凹坑的缺陷处理、应力分析、有限元分析以及无量纲参数的计算，提出的铝合金压力容器局部腐蚀凹坑检验评定的方法实现了对腐蚀凹坑的安全评定，为合理使用压力容器以及延长压力容器的运行寿命提供了依据，但是其仍然存在较大的上升空间，因此，需要对其进行进一步的研究与分析。