馮熔

摘 要：在進(jìn)行壓力容器焊接的過程中，對接頭進(jìn)行疲勞評定有極其重要的意義。從焊接對壓力容器接頭疲勞強(qiáng)度的影響入手，探究了壓力容器焊接接頭疲勞評定的方法。

關(guān)鍵詞：壓力容器；接頭疲勞評定；非焊接缺口；裂紋

中圖分類號：TG407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.113

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，社會生產(chǎn)的規(guī)模和效率得到了較大的提升。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備常會受到高溫和高壓的考驗。一旦設(shè)備出現(xiàn)疲勞，就會影響到設(shè)備的安全性。壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的關(guān)鍵性設(shè)備，常受到多種形式的疲勞載荷的影響，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備的安全運(yùn)行受到影響。因此，在壓力容器焊接的過程中，加強(qiáng)對焊接接頭疲勞強(qiáng)度的評定工作十分重要。

1 焊接對壓力容器接頭疲勞強(qiáng)度的影響

當(dāng)壓力容器出現(xiàn)疲勞破壞時，往往是從應(yīng)力集中的部位開始的。一般而言，壓力容器應(yīng)力最集中的區(qū)域為開孔接管等拐角的堤防，這也是在進(jìn)行靜強(qiáng)度以及抗疲勞設(shè)計過程中需要關(guān)注的重點區(qū)域。實際上，決定壓力容器疲勞強(qiáng)度的最關(guān)鍵的部位就是焊接時的接頭，即使非焊接區(qū)域內(nèi)存在非焊接缺口，壓力容器的疲勞失效依然會產(chǎn)生在焊接時的接頭部位，而不是母材的缺口區(qū)域。雖然焊接接頭區(qū)域的靜強(qiáng)度不比母材低，但這一區(qū)域本身的疲勞強(qiáng)度卻與母材有較大的差別。這主要是因壓力容器焊接過程中采取的特殊性焊接工藝造成的不良影響。在焊接過程中，使用不恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚂?dǎo)致焊接接縫出現(xiàn)余高、錯邊和變形等現(xiàn)象，進(jìn)而形成應(yīng)力集中區(qū)域。雖然焊接中出現(xiàn)的缺陷，比如裂紋、未焊透或氣孔等對材料的靜強(qiáng)度造成的影響較小，但也會影響接頭的疲勞性能。裂紋的尖端會成為最嚴(yán)重的應(yīng)力集中源。此外，在焊接時，焊接殘余的應(yīng)力可能會致使焊接裂紋處于張開狀態(tài)，這對疲勞強(qiáng)度有不利影響。

2 壓力容器焊接接頭疲勞的評定方法

在我國現(xiàn)行的規(guī)范規(guī)準(zhǔn)中，對焊接疲勞進(jìn)行評定的規(guī)定較少，導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)疲勞破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，壓力容器制造企業(yè)要想獲得長遠(yuǎn)的發(fā)展，就必須加強(qiáng)對壓力容器焊接接頭疲勞評定方法的重視。較為常見的容器焊接接頭疲勞評定方法有以下幾種。

2.1 ASME Ⅷ-2和JB4732

2.1.1 概念

在以往的ASME Ⅷ-2中，主要使用光滑圓棒疲勞曲線對壓力容器焊接接頭進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評定，并且與疲勞強(qiáng)度減弱的系數(shù)相結(jié)合，可分析焊接的影響。這一方法中，主要認(rèn)為總當(dāng)量的應(yīng)力在疲勞評定過程中起著決定性的作用。然而，由于這種評定方法采用的是S-N曲線充當(dāng)光滑圓棒應(yīng)變疲勞曲線，從根本上看仍舊屬于局部法，而不是缺口應(yīng)力方法。

對于壓力容器焊接接頭而言，采用疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)對應(yīng)力出現(xiàn)的范圍進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，并用調(diào)整之后的總當(dāng)量應(yīng)幅進(jìn)行曲線設(shè)計。同時，在我國現(xiàn)行的規(guī)范中，同樣采用這樣的方法對壓力容器焊接接頭疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評定。除了ASME Ⅷ-2中的疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)的推薦值比JB4732更加詳細(xì)之外，這兩種方法在進(jìn)行評定時所使用的疲勞減弱系數(shù)并沒有太大的差別。

2.1.2 疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)

所謂“疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)”，主要是指分析局部結(jié)構(gòu)對疲勞強(qiáng)度造成的不連續(xù)應(yīng)力放大系數(shù)得到的結(jié)果。疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)主要是通過對壓力容器焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗所確定的。一般而言，在相同壽命條件之下，光滑圓棒的疲勞強(qiáng)度與焊接接頭疲勞強(qiáng)度的比值就是疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)。因此，疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)與這兩者的疲勞曲線有著密切的聯(lián)系。具體實施步驟如圖1所示。

2.1.3 優(yōu)勢與局限

在對壓力容器焊接接頭進(jìn)行疲勞評定的過程中，ASME Ⅷ-2疲勞曲線得到了較長時間的應(yīng)用。經(jīng)過不斷的完善，這一曲線與疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)可適用于絕大多數(shù)的接頭疲勞評定。但根據(jù)有關(guān)疲勞理論，對母材疲勞壽命產(chǎn)生關(guān)鍵性影響的階段為裂紋初始期，而對焊接接頭疲勞壽命造成重要影響的為裂紋擴(kuò)散期。因此，單純的利用疲勞減弱系數(shù)與疲勞曲線的結(jié)合對壓力容器焊接接頭進(jìn)行疲勞評定具有一定的局限性。

2.2 EN13445焊接疲勞評定

2.2.1 應(yīng)力參量的選擇

EN13445焊接疲勞評定方法出現(xiàn)在ASME疲勞設(shè)計方法之后，通過利用進(jìn)行真實焊接接頭試驗所得到的疲勞曲線對接頭疲勞進(jìn)行評定。在EN13445焊接疲勞評定中，在使用焊接疲勞曲線的過程中，可采用不同的應(yīng)力對不同接頭失效位置進(jìn)行評定。對于直接承受負(fù)荷的角焊縫而言，疲勞裂紋開始出現(xiàn)在焊接根部，并沿著焊喉的方向延伸穿透，導(dǎo)致接頭疲勞損壞。因此，在進(jìn)行疲勞評定時，需要根據(jù)焊喉截面中的平均應(yīng)力計算。但在絕大多數(shù)情況下，疲勞裂紋常由接頭焊趾或焊縫表面開始。當(dāng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象時，較為合理的就是使用“結(jié)構(gòu)熱點應(yīng)力”計算。因此，EN13445中所使用的焊接疲勞評定方式又可以稱為“熱點應(yīng)力法”。

2.2.2 疲勞曲線的設(shè)計

在EN13445中進(jìn)行疲勞曲線設(shè)計時，需要做好科學(xué)的分級。一般可以分為10條不同等級的疲勞曲線，疲勞等級主要由焊接接頭的形式、失效的位置等共同確定。這就使得對同一個焊接接頭進(jìn)行評定時，需要根據(jù)不同的疲勞等級曲線以及應(yīng)力進(jìn)行多次評定，以確保壓力容器焊接接頭疲勞評定的準(zhǔn)確性。但在這一過程中需要注意的是，當(dāng)將當(dāng)量結(jié)構(gòu)作為標(biāo)量時，如果不考慮受載方向的影響，則可使用疲勞等級較低的一條曲線。同時，EN13445理論認(rèn)為，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度與材料強(qiáng)度之間沒有相關(guān)性。因此，在考慮疲勞曲線設(shè)計時，需要做好系數(shù)的修正工作，并計算好所需的應(yīng)力，從而提高疲勞曲線設(shè)計的合理性。

2.2.3 優(yōu)勢與局限

EN13445是在焊接時間的基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接疲勞評定的，對壓力容器疲勞設(shè)計方法進(jìn)行了重大的改進(jìn)，具有一定的先進(jìn)性，但是在焊接疲勞等級的評定中具有一定的主觀性。而基于熱點應(yīng)力計算時又缺乏一定的理論基礎(chǔ)，導(dǎo)致熱點應(yīng)力在壓力容器焊接接頭疲勞評定中的應(yīng)用十分有限。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著時代的發(fā)展，壓力容器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中常會出現(xiàn)疲勞破壞的現(xiàn)象，對設(shè)備的安全運(yùn)行造成了不利影響。因此，在壓力容器的生產(chǎn)過程中，需要做好焊接接頭的疲勞評定工作，采用多種評定方法提升壓力容器焊接接頭疲勞強(qiáng)度檢測的精準(zhǔn)度，從而確保壓力容器的安全運(yùn)行。

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〔編輯：張思楠〕