秦富友，杜四宏（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 45006；.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 45000）

壓力噴放罐的疲勞壽命分析

秦富友1，杜四宏2
（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016；2.中國核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450002）

以有限單元法為依據，對工程實際應用中的壓力噴放罐進行了疲勞壽命分析，并通過疲勞試驗對其疲勞壽命進行了驗證。

壓力噴放罐；有限元分析；疲勞壽命分析；疲勞試驗

在反復交變載荷作用下，材料（零部件或結構）的失效行為稱為疲勞［1］。實踐表明，交變應力引起的失效與靜應力全然不同。在交變應力作用下，雖然應力低于屈服極限，但長期反復之后，構件也會突然斷裂。即使是塑性較好的材料，斷裂前也無明顯的塑性變形［2］。近年來隨著壓力容器大型化，工作條件的日益苛刻和安全系數(shù)的降低，設計應力提高，在容器接管、開孔等處的局部峰值應力更高，可能遠遠超過材料的屈服強度。另外，隨著容器的大型化，廣泛采用各種低合金高強度鋼，這些鋼種隨著材料屈強比的提高，承載能力有所上升，但其塑性儲備、對應力集中的敏感性、耐疲勞抗力都有所降低，在容器制造過程中容易產生裂紋及其它缺陷，從而增加了疲勞破壞的危險性。有人在分析了壓力容器的破壞事故后認為，大多數(shù)的斷裂都與疲勞裂紋的擴張有關［3］。因此，疲勞失效問題在機械構件和壓力容器設計中已越來越引起重視。本文以有限單元法的思想為依據，對工程實際應用中的壓力噴放罐進行了疲勞壽命分析，并通過疲勞試驗對其疲勞壽命進行了驗證。示，錐形封頭示意圖如圖3所示。壓力噴放罐罐體的材料為16MnR，設計壓力為2.3MPa，工作載荷為1.8MPa，加壓、卸壓循環(huán)，每30min波動1次，年操作時間為8760h，設計壽命為10年，工作溫度為210℃左右，此溫度下彈性模量Et為201×103MPa。

圖1　壓力噴放罐結構簡圖

1　有限元分析

1.1壓力噴放罐的相關參數(shù)

壓力噴放罐的結構簡圖如圖1所示，由上部進料口（橢圓封頭部分）、中間筒體、下部出料口（錐形封頭部分）三部分組成。進料口示意圖如圖2所

圖2　進料口示意圖

圖3　錐形封頭示意圖

1.2壓力噴放罐局部應力分析［4］

由于局部應力的數(shù)值較大，破壞性也比較大，而且很難對其進行理論計算，故利用ANSYS有限元分析軟件，在壓力噴放罐的正常工作壓力1.8MPa下對壓力噴放罐的局部應力進行分析。分析結果顯示，進料口接管處的應力最大值為此處的峰值應力229.1MPa，筒體接管處的應力最大值為此處的峰值應力151.4MPa，錐形封頭折邊處的應力最大值為此處的峰值應力94MPa。

1.3壓力噴放罐的疲勞壽命分析［5］

疲勞失效來源于交變循環(huán)應力，由應力幅與循環(huán)次數(shù)（N）標繪的設計疲勞曲線如圖4所示。該曲線為抗拉強度σb≤552MPa以及σb=793～896MPa的兩種強度級別的碳鋼、低合金鋼及鐵素體高合金鋼在10≤N≤106以內的設計疲勞曲線，使用溫度不超過375℃。該曲線是以材料的疲勞試驗為基礎，考慮了平均應力修正，取應力幅安全系數(shù)為2，取循環(huán)次數(shù)安全系數(shù)為20得出的?？v坐標即表示E=210×103MPa的材料許用應力強度幅：

若實際設計溫度下材料的彈性模量為Et，則設計溫度下的許用應力強度幅為：

從1.2中的應力分析結果可以看出，在整個容器結構中，壓力噴放罐進料口接管處應力強度最大。因為整個設備中結構各點的操作狀態(tài)相同，故選擇應力強度最大點進行疲勞強度評定。此處的峰值應力強度最大為SV=229.1MPa 。

圖4　溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼的設計疲勞曲線

正常工作循環(huán)下的應力幅值：Salt1= 0.5×229.1= 114.5MPa

由S′alt1在圖4所示的設計疲勞曲線上可以查得對應的循環(huán)次數(shù)N1=1.77×105次，而n1=10×8760×2=1.75×105次，故n1＜N1。按該臺設備的工作要求，其疲勞壽命為N1/（8760×2）=10.1年，因此該設備的結構和壽命設計是合理的。

2　疲勞試驗

2.1試驗裝置與器材

本次疲勞試驗是在型號為CA6140的普通機床上進行的。試驗中所用的試樣直徑一端為20mm，另一端為10mm，對接焊接，直徑為10mm的一端長度為120mm，變徑部分圓滑過渡，材料為16MnR，與實際結構的材料一致，且與實際結構具有相同的機械加工工藝。試樣為光滑試樣，數(shù)目為5根。

2.2試驗過程

測定時，將試樣直徑為20mm的一端卡于機床主軸上，通過刀架在試樣的自由端施加力F，使得焊縫處的應力達到119.6MPa。在本次試驗所用的機床上，為了能準確地在試樣的自由端施加力F，需要計算出在力F（機床刀架）作用下試樣自由端的位移，即撓度。整個裝置的受力情況可以簡化成懸臂梁的形式如圖5所示。

圖5　試件受力簡化圖

依據橫力彎曲時的正應力公式［6］：

試樣自由端的撓度ω= -F3/3Ez，將F的計算值代入該式，可算得ω= -0.74 mm。

試驗過程中，首先測定每根試樣從開始旋轉到斷裂所用的時間，然后依據機床主軸的轉速計算出每個試樣斷裂所經歷的旋轉周數(shù)（循環(huán)次數(shù)），最后再與有限元分析計算的結果進行對比。

2.3試驗結果

試驗過程中，機床主軸的轉速選為1470r·min-1，每個試樣在機床上旋轉斷裂所用的時間以及經計算所得到的試樣斷裂所經歷的旋轉周數(shù)（循環(huán)次數(shù)）見表1。

2.4試驗結果分析

從表1中的數(shù)據來看，此時焊縫處的應力為119.6MPa，從圖4所示的設計疲勞曲線上可以查得對應的循環(huán)次數(shù)為1.77×105次，乘以循環(huán)次數(shù)的安

表1　試樣斷裂所經歷的旋轉周數(shù)

全系數(shù)20為3.54×106次，與表中的數(shù)據相比較基本吻合，說明了壓力噴放罐疲勞壽命分析和計算的正確性。從試樣疲勞斷口可以觀察到，斷口分為兩個區(qū)域，一個光滑，一個粗糙。因為在裂紋擴展過程中，裂紋的兩個側面在交變載荷作用下時而壓緊，時而分開，多次反復，這就形成斷口的光滑區(qū)。斷口的顆粒狀粗糙區(qū)則是最后突然斷裂形成的。

［1］ 邵國華，等. 超高壓容器［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.

［2］ 劉鴻文.材料力學：下冊［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［3］ H. J.Gough. The Fatigue of Metals［M］. London： Scott. Greenwlld and Son， 1924.

［4］ 葉先磊. ANSYS工程分析軟件應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［5］ 劉鴻文.材料力學（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］ 劉鴻文.材料力學：上冊［M］.北京：高等教育出版社，1992.

Fatigue Analysis of Pressure Pot

QIN Fu-you1， DU Si-hong2
（1.Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing， Zhengzhou 450016 China；
2.China Nuclear Power Engineering Co. Ltd.， Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450052， China）

By finite element， a fatigue was analyzed for a pressure pot. Through test， result was proved.

pressure pot； finite element； fatigue analysis； fatigue test

TH 49

B

1671-9905（2016）08-0063-03

秦富友，男，就職于河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗和研究工作。電話：13633829625

2016-06-07