鈦合金氣瓶水壓爆破試驗研究

范國金，范俊明，譚孝盼，李世楷

成都格瑞特高壓容器有限責任公司 四川成都 610400

1 序言

高壓氣瓶用于盛裝永久性氣體或高壓液化氣體，被廣泛用于工礦、建筑、交通、海洋、航空、醫療及軍事等國民經濟各部門[1]。鈦合金與鋁合金、鋼相比，具有良好的耐蝕性、高的比強度和比模量，此外，它的韌性、高溫強度、蠕變阻尼、成形性、焊接性和可加工性都很好，因此在航空航天和海洋環境得到了較為廣泛的應用[2]。特別是在具有腐蝕條件下且對重量有較高要求的應用場合，鈦合金氣瓶相比鋁合金氣瓶、鋼質氣瓶具有明顯的優勢。

作為一種失效后會產生較大危害性的特種設備[3]，一旦發生破裂，氣瓶內部高壓氣體急劇膨脹，能量瞬時釋放引發爆炸，爆炸沖擊波攜帶氣瓶碎塊高速飛散，不但使周圍設備和建筑物遭到損壞，同時還會造成較大的人身傷亡[4-6]。因此，高壓氣瓶爆破試驗結果將直接影響氣瓶的安全質量[7]。

爆破試驗是氣瓶、壓力容器行業常規檢測手段。G B/T 5099.1—2017《鋼質無縫氣瓶 第1部分：淬火后回火處理的抗拉強度小于1100MPa的鋼瓶》和ISO 9809.1：2010《氣瓶 可重復充裝的無縫鋼氣瓶設計、結構和試驗 第1部分 抗拉強度低于1100MPa的淬火加回火鋼瓶》均要求鋼質無縫氣瓶實測爆破壓力和實測屈服應力不得小于要求值，同時要求破口形狀滿足相應要求。目前，鈦合金氣瓶制造檢驗驗收尚無國家和行業標準，鈦合金氣瓶的爆破試驗合格判據也主要參照GB/T 5099.1—2017執行。但鈦瓶的制造工藝以及材料性能均與鋼瓶有較大的差異，用鈦瓶參考鋼瓶的爆破試驗合格判據是否適宜，目前存在較大爭議。

本文結合鈦瓶在苛刻條件下預制缺陷的爆破試驗，通過靜力學分析、爆破試驗中的屈服壓力計算和爆破能計算，確定鈦瓶爆破試驗起爆點位置分布規律、塑性爆破臨界壓力和在正常情況可能存在的破口形式，以探索鈦瓶水壓爆破試驗的合格判據。

2 試驗描述

近日，筆者開展了鈦瓶在苛刻條件下的爆破試驗研究。試驗前在試件封頭相貫線80mm位置預制縱向缺陷，缺陷長度20mm，缺陷深度2.5mm，如圖1所示。試驗結果見表1。爆破試驗的起爆口不在預制缺陷位置，如圖2所示。

表1 實際試驗數據

圖1 預制縱向缺陷

圖2 實測爆破位置

3 靜力學分析

3.1 有限元模擬

在鈦瓶爆破試驗時，端頭端連接試壓管道，另一端堵頭焊接，為ux、uy、uz的全約束形式。鈦瓶實際爆破壓力為134.652MPa，分析在134.5MPa作為臨界狀態下，鈦瓶應力分析如下。

總體薄膜應力Von Mises分布如圖3所示。

圖3 Von Mises應力

x、y、z方向的拉應力Sx、Sy、Sz分布如圖4～圖6所示。

圖4 Sx應力

圖5 Sy應力

圖6 Sz應力

xz方向的剪應力如圖7所示。

圖7 xz方向的剪應力

應力過渡界面如圖8所示。

圖8 應力過渡界面

3.2 模擬說明

鈦瓶系中線對稱和軸對稱，上述應力同樣為中線對稱和軸對稱分布。由圖3～圖7可發現，鈦瓶在134.5MPa臨界壓力狀態下，總體薄膜應力和剪應力最大值均發生在筒體上。通過圖6測量，總體薄膜應力和剪應力過渡截面為離封頭相貫線軸向方向50mm處，而最大值位于相貫線軸向方向約150mm處，即從該截面至封頭兩端應力呈下降趨勢。從該截面至中線對稱截面區域應力均為最大值（見圖3紅色區域）。在理論情況下，當認為鈦瓶性能各向同性時，鈦瓶爆破起爆口位于鈦瓶筒體應力最大值紅色區域任意位置。

按照上述有限元分析：鈦瓶爆破起爆口位于鈦瓶筒體應力最大值紅色區域任意位置。由于彎矩的原因，越靠近封頭相貫線的位置，受到封頭的約束越大，這種約束足以抵消壁薄的因素。這就是為什么本次預制缺陷的爆破試驗的起爆口不在預制缺陷位置的原因。

4 爆破壓力計算

4.1 最小應爆壓力的依據

GJB 5049—2001《潛艇用高壓空氣瓶通用規范》規定空氣瓶的設計應爆壓力為

式中Pb——設計應爆壓力（MPa）；

Rm——抗拉強度（MPa）；

C——系數，正火取C＝1；

s——設計壁厚（mm）；

D0——公稱外徑（mm）。

帶入鈦瓶設計參數，由式（1）計算得Pb≥99.41MPa

4.2 爆破屈服壓力計算

在爆破試驗條件下，鈦瓶爆破屈服壓力計算式[8]為

式中Ps——爆破屈服壓力（MPa）；

σs——屈服強度（MPa）；

k——外徑與內徑之比。

本次爆破試驗樣瓶實際屈服強度為776MPa，由式（2）計算得

4.3 計算分析說明

高壓氣瓶的爆破形式分為塑性爆破和脆性爆破。塑性爆破是指氣瓶承受應力超過材料屈服點而發生屈服變形后的塑性失穩，試驗壓力超過爆破屈服壓力。而脆性爆破是指氣瓶爆破時尚未發生塑性變形，承受應力尚未超過材料屈服點而發生的脆性失穩，爆破壓力低于爆破屈服壓力。

由計算可見，本次爆破試驗計算爆破屈服壓力為106MPa，而實際采集值明顯高于計算值，則本次爆破試驗從壓力角度看，系塑性爆破。

5 爆破能計算

5.1 計算背景

鈦瓶爆破試驗發生破裂時，由于爆破能瞬間釋放造成裂紋高速擴展，根據英國科學家哥瑞斯的斷裂能量準則：裂紋擴展的長度和變形量與斷裂能量呈正相關。

由于鈦瓶爆破試驗的破口研究屬于典型的斷裂動力學范疇，因此采用連續介質力學研究方法，需考慮和研究物體慣性、固體在高速加載或裂紋高速擴展下的斷裂規律。包括：裂紋在高速加載下的響應及起始和失穩擴展準則，高速擴展裂紋的分叉判據，高速擴展裂紋尖端附近的應力應變場，裂紋高速擴展的停止（止裂）原理，以及裂紋高速擴展的極限速度等。目前，該理論尚無系統研究成果，為此本文只進行不同爆破壓力情況下爆破能的計算比較，定性分析不同爆破能對破口的影響趨勢。

5.2 爆破能計算

爆破瞬間，鈦瓶的爆破能W計算見式（3），即

式中W——爆破能（J）；

W1——鈦瓶爆破試驗壓力下的應變能（J）；

W2——鈦瓶爆破試驗壓力下水的壓縮能（J）。（1）鈦瓶爆破試驗壓力下的應變能 其計算式為

式中ε——各向應變；

V——材料體積（m3）；

E——材料彈性模量（Pa）。

如果在線彈性條件下，即應力與應變成正比的情況下，根據廣義胡克定律，應力與應變的關系[9]為

式中σj——筒體部分的徑向應力（MPa）；

σz——筒體部分的軸向應力（MPa）；

σf——封頭處的周向應力（MPa）。

對于圓柱形殼體：

對于球形封頭：

式中P——殼體承受的內壓（MPa）；

D——筒體直徑（mm）；

δ——筒體壁厚（mm）。

但是，鈦瓶在爆破瞬間，局部區域已經發生塑性變形，這部分塑性變形不會因卸載全部復位而形成殘余變形。本次鈦瓶爆破容積變形率為11.2%，則近似認為有11.2%應變能轉化為了塑性變形，因此式（4）改為

假設鈦瓶在100M P a、106M P a、110M P a、120MPa、134.56MPa不同壓力情況下起爆，相應的應變能計算見表2。

表2 不同壓力情況下的應變能

（2）鈦瓶爆破試驗壓力下水的壓縮能 在高壓情況下，水為線彈性屬性，水的壓縮能為

式中P——內壓（MPa）；

ΔV——壓入水量（L）。

本次爆破試驗時采集壓入水量值見表3。不同壓力條件下，水的壓縮能見表4。

表3 不同壓力情況下的壓入水量

表4 不同壓力情況下的壓縮能

（3）爆破能值 按式（3）匯總表3、表4，不同壓力條件下爆破能見表5。

表5 不同壓力情況下爆破能

由表5可看出，爆破壓力越大，爆破能也越大，134.56MPa時的爆破能是100MPa爆破能的2.52倍。

5.3 破口形式分析

高壓氣瓶塑性爆破破口以剪切破壞為主、受拉斷裂為輔。針對氣瓶的破口形狀，目前只有GB/T 5099.1—2017對鋼瓶有描述，因此對于鈦瓶沒有借鑒的先例。

GB/T 5099.1—2017適用于工作壓力≤30MPa、容積≤150L的鋼瓶。標準中規定：鋼瓶破口應無碎片，破口應在筒體上，破口裂縫不得引伸到瓶口；瓶體主破口應為塑性斷裂；對于平均壁厚＜7.5mm的鋼瓶破口應為無開叉破口。哥瑞斯的斷裂能量準則：裂紋擴展的長度和變形量與斷裂能量呈正相關。按照上述計算，150L/30MPa的鋼瓶爆破壓力約為72MPa左右，其爆破能將遠小于本次鈦瓶試驗的爆破能。因此，不能用GB/T 5099.1—2017來判別大爆破能的鈦瓶破口是否合格。

在正常情況下，對于高壓大容積鈦合金氣瓶由于具有巨大的爆破能需要釋放，所以氣瓶爆破破口形式存在如下可能。

1）當起破口位于瓶體中部時，破口兩端均不會延伸至封頭相貫線處，則破口形式為主破口呈縱向，如圖9所示。

2）當起破口位于瓶體單側靠近封頭，破口段會延伸至封頭相貫線處，則破口形式為主破口呈縱向，破口在相貫線處開叉，魚尾上肩。單魚尾破口上肩形式如圖10所示。

圖10 單魚尾破口上肩形式

3）當起破口位于瓶體單側靠近封頭，破口段會延伸至封頭相貫線處，破口形式為主破口呈縱向，破口在相貫線處拐彎，且拐彎長度不大。破口瓶肩拐彎形式如圖11所示。

圖11 破口瓶肩拐彎形式

4）當起破口位于瓶體單側靠近封頭，破口形式為主破口呈縱向，破口延伸在相貫線處筒體方向拐彎，且拐彎長度較大，受殘余爆破能沖擊作用，拐彎塊被整體折斷脫落。脫落形式如圖12所示。

圖12 拐彎塊被整體折斷脫落形式

5）當起破口位于瓶體單側靠近封頭，破口形式為主破口呈縱向，破口延伸在相貫線處沿相貫線拐彎，且拐彎長度較大，受殘余爆破能沖擊作用，封頭被整體沖擊脫落。脫落前瞬間泄漏噴水狀態如圖13所示。

圖13 封頭脫落前狀態

6 結束語

1）鈦瓶理論爆破起爆口位于鈦瓶筒體應力最大值區域任意位置。

2）正常情況下，實測爆破壓力高于計算爆破屈服壓力，鈦瓶爆破為塑性爆破。

3）高壓大容積鈦合金氣瓶爆破破口存在多種形式。