賈 泉

(張家口大唐機械制造有限公司，河北張家口 075000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，鋼制壓力容器承受交變載荷的情況逐漸增多，壓力容器設計規(guī)則的變動使設計壓力提高、安全系數(shù)下降，這些因素造成了壓力容器的疲勞失效事故顯著增多。鋼制壓力容器制造中高強度鋼的較多應用和日益復雜的工作條件也是壓力容器疲勞失效的重要原因。為了保證鋼制壓力容器在使用年限內(nèi)不致出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，JB4732-95《鋼制壓力容器-分析設計標準》中規(guī)定了以疲勞分析為基礎的設計方法。

一、低周疲勞

人們一般把疲勞破壞和交變載荷的高循環(huán)相聯(lián)系，認為只有高速回轉機件等在使用壽命期間交變載荷次數(shù)循環(huán)達到千萬百萬的構件才會出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象，如制造合格的礦車心軸在長期安全使用后在軸肩處會突然斷裂，而使用期間交變載荷次數(shù)循環(huán)最多萬次左右的鋼制壓力容器不存在疲勞破壞問題?？墒窃谀承┰O計、制造合格的壓力容器出現(xiàn)與疲勞破壞有關的事故后，鋼制壓力容器的疲勞破壞問題才引起人們的重視。存在高循環(huán)疲勞破壞問題的構件使用壽命期間所受的交變應力次數(shù)一般在107以上，其應力水平遠低于材料的屈服強度，雖然在局部地區(qū)存在應力集中，但其最大應力處也處于彈性狀態(tài)。高速回轉機件所用材料含碳量、強度級別高，通常采用切削加工，對表面粗糙度有較高的要求。而壓力容器使用壽命期間所受交變應力的次數(shù)在102到105之間，其應力水平則遠高于存在高循環(huán)疲勞破壞問題的構件，一些應力集中區(qū)域在設計狀態(tài)的應力水平就超過了材料的屈服強度進入塑性狀態(tài)。壓力容器所用材料含碳量、強度級別一般較低，延塑性較好，由于一般采用沖壓、卷滾成形和焊接加工，對表面粗糙度難以提出較高要求。以上差別造成壓力容器的疲勞問題屬于高應力、低循環(huán)疲勞，稱為低周疲勞。如果將壓力容器材料強度按高循環(huán)構件疲勞強度設計而得到無限壽命則會使設計變得很保守，既不合理也無必要。

材料承受循環(huán)載荷時，根據(jù)所受應力變化幅S和直到疲勞斷裂時的循環(huán)次數(shù)N雙對數(shù)整理作圖得到材料的疲勞曲線(如圖所示)。因壓力容器的應力變化幅超過了材料的屈服極限，這時疲勞曲線不再保持線性，N值很低時S值很少有變化，因而S值作縱坐標時疲勞曲線變得很難描述實際壽命的變化關系。為了更易于觀察S-N的關系，壓力容器低循環(huán)疲勞曲線中使用了虛擬應力幅的概念：

它是以材料彈性模量E乘以應變量εt除以2得到的應力變化幅。

圖 典型的疲勞曲線

這種情況下疲勞曲線縱坐標虛擬應力幅并不是真實的應力幅，應變量εt的大小才是衡量交變應力大小的根據(jù)。

二、疲勞破壞成因

壓力容器的疲勞破壞是容器在受到一定循環(huán)次數(shù)的交變應力后產(chǎn)生細微裂紋，裂紋逐漸擴展至穿透構件甚至構件全部斷裂。造成壓力容器疲勞的交變應力由下述各種因素引起：

(1)工作條件下的交變載荷；

(2)正常溫度變化導致的收縮或膨脹受到限制；

(3)周期性的溫度變化；

(4)壓力的波動；

(5)振動力。

壓力容器的疲勞裂紋一般發(fā)生在封頭和筒體連接的邊緣區(qū)、容器的開孔接管處、支座與筒體連接區(qū)、焊縫處等因載荷、結構或材料性能的不連續(xù)或其它原因而引起的應力集中區(qū)域，其中以峰值應力對疲勞裂紋形成影響最為顯著。所謂峰值應力即在局部結構的不連續(xù)處總應力去除一次應力和二次應力后的剩余應力，例如在接管與殼體連接處應力集中區(qū)的最大應力中，去除掉沿殼體壁厚成線性分布和均勻分布這兩部分數(shù)值后，剩余下的應力數(shù)值即為峰值應力。壓力容器的設計許用應力遠遠低于所用材料的屈服強度，但在局部應力集中區(qū)域，正常工作條件下的峰值應力就已超過了材料的屈服強度。在靜載荷的工作條件下，構件由塑性變形而增加的載荷可以被同一截面未屈服的部分承擔，造成屈服區(qū)域不斷擴大，應力分布逐漸趨向于均勻化。如果壓力容器處在交變載荷的工作條件下，塑性變形則對容器疲勞強度的影響很大。在正常工作條件下壓力容器的總體區(qū)域不會產(chǎn)生塑性變形，但容器材料在交變應力作用下會因塑性變形引起交替的塑性流動，這是裂紋形成的能量源。金屬材料受到交變應力作用而造成的疲勞失效可以看作是能量的積累、轉換過程：當交變應力大于一定值時，每一次應力循環(huán)都會使金屬材料在塑性流動過程中吸收一定量的變形能，隨著交變應力循環(huán)次數(shù)的增加，當循環(huán)次數(shù)達到一定值時，材料所累積的變形能就會在最大應力處突然迸發(fā)而出現(xiàn)細微裂紋并最終造成容器的泄漏或斷裂。在壓力容器的其它區(qū)域，雖不存在各種形式的不連續(xù)結構和載荷，但由于焊接加工或鋼板材質(zhì)等各種原因可能會存在原始缺陷、焊接缺陷和殘余應力，這些缺陷也相當于應力集中源，缺陷尖端處的應力在正常工作條件下也會超過材料的屈服強度而引起塑性變形，這些區(qū)域如果受到交變應力則容易形成疲勞裂紋。

壓力容器承受的交變載荷從應力方面分析一般是脈動循環(huán)，但在容器結構上由各種因素造成幾何形狀、材料性能突變而引起的應力集中區(qū)域內(nèi)，最高應力的性質(zhì)可能處于對稱循環(huán)狀態(tài)，造成該處的實際應力幅值升高。例如：連接元件的厚度如果相差很大，因應力差、剛度差造成局部的應力并不是與交變載荷對應的脈動性質(zhì)，而可能已經(jīng)變成對稱循環(huán)，使實際應力幅值變得很大。筒體和錐殼的連接采用一定長度范圍內(nèi)的均勻、分散加厚結構和開孔接管處采用全焊透結構補強都是避免連接元件在一定范圍內(nèi)厚度尺寸相差過大。

表面粗糙度對高循環(huán)范圍內(nèi)的疲勞強度影響顯著，這主要是因為材料表面加工粗糙會形成應力集中源，提高了材料表面的應力而減低了材料的疲勞壽命；但表面粗糙度對低循環(huán)范圍內(nèi)的疲勞強度影響不如高循環(huán)，因引起低循環(huán)疲勞的應力已經(jīng)高出材料的屈服強度，造成由表面粗糙度形成的應力集中使材料進入塑性狀態(tài)，又因一般采用中低強度的壓力容器材料延性較好，所以材料表面因屈服而使應力重新分布趨于均勻化，減少了表面粗糙度對疲勞壽命的影響。壓力容器不要求表面拋光、磨光，但材料表面粗糙度終究會形成微小的應力集中，所以制造過程中要盡可能地減少人為引起的表面缺陷。環(huán)境介質(zhì)對疲勞裂紋形成也會有一定的影響，因介質(zhì)對容器的不均勻腐蝕會引起容器材料表面凹坑，形成應力集中源而可能出現(xiàn)疲勞裂紋。壓力容器制造時雖進行無損探傷檢測，但仍舊無法避免殘留少數(shù)目前探傷技術難以檢測出的缺陷和微小裂紋，它們在交變應力作用下會造成疲勞破壞。

結 論

根據(jù)上述分析，承受交變載荷的壓力容器上應避免產(chǎn)生過大的局部應力峰值。在結構的設計上要避免使用相鄰元件厚度差過大的結構、非整體連接件、管螺紋連接件和部分熔透的焊接接頭形式；在容器的制造中要求在接管端部打磨圓角、焊縫余高打磨平滑、開孔邊緣焊前著色檢測、嚴格控制錯邊量、不允許用硬印作材料和焊工標記、焊接接頭進行100%無損檢測、組裝后進行消除殘余應力熱處理等。

參考文獻：

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