压力容器疲劳分析的进展

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压力容器疲劳分析的进展

摘要

    疲劳失效是现代工业中的常见现象。据估计，超过80%的结构破坏是由疲劳造成的，因此，应用疲劳分析的方法指导压力容器设计是工业技术中的一个重要主题。本文介绍了疲劳失效的基本知识，当前的疲劳设计方法以及其发展趋势。

   关键词：疲劳失效；疲劳分析；压力容器

1、引言

    随着石化工业和其他工业的迅猛发展，许多压力容器都承受着频繁开停工、压力波动、温度变化等等带来的交变载荷。这些载荷使得容器中的应力发生着间歇性的（不规律的）变化（即交变应力）。

    由于生产规模的大规模化、高指标（高压、高温、低温）化，更多高强度的材料开始广泛的应用于压力容器。

以上的这些因素的累积是疲劳失效事故产生的重要原因。

2、疲劳失效的基本知识

2.1定义

    在压力容器工业中，疲劳是渐进的、局部的结构损伤，通常出现在材料受到循环载荷作用的部分。此时的最大标称应力值小于材料的拉应力极限，且可能低于材料的屈服应力极限。

在一定的周期的交变载荷作用之后，压力容器发生断裂，称作疲劳断裂或者疲劳失效。疲劳失效指的是在小于材料抗拉强度的重复应力或脉冲应力作用下，材料发生断裂的现象。

2.2原理

    疲劳可以通过断裂力学方法研究。疲劳寿命的估计可以从裂纹萌生、裂纹扩展过程和最终断裂等方面评估。

    疲劳的起始点是十分微小的，环绕起始点从来不会扩展到超过2~5个晶粒。裂纹的萌生点一般出现在应力集中处，这些点极其微小，且很难与随之而来的传播或裂纹扩展区分开来。裂纹的萌生方向一般平行于剪应力方向。

    随着重复载荷继续，裂纹的方向也变为垂直于拉应力方向。值得注意的是，韧性断裂是由剪应力分量造成的，而脆性断裂是由拉应力分量造成的。在初始裂纹形成后，会发生急剧的极限应力集中，使得在每一次的重复应力之后，裂纹会更加深入到金属中去。

    随着疲劳裂纹的进一步扩展，构件横截面逐渐减小，材料的承载能力被大幅度削弱，最终导致断裂的发生。最终的断裂可能是韧性断裂（具有凹痕表面特征的断口）、脆性断裂（具有解理表面特征的断口）或者二者兼有之。

2.3 特点

    疲劳失效和传统的静力破坏相比有着诸多明显的区别：

    (1)疲劳失效是一个累积损伤的过程，因此从加载到失效需要一定的时间；

    (2)交变应力值比材料的拉应力极限要小，且有可能小于材料的屈服极限；

    (3)疲劳失效时一般不会发生宏观的塑性变形；

    (4)裂纹源头，裂纹扩散区域和瞬时断裂带在疲劳断裂截面中清晰可见；

    (5)疲劳失效与材料的成分、形状、尺寸、表面情况、使用情况和外部环境有关。

3、现行的疲劳研究方法

3.1 现行标准

    疲劳设计是分析设计的一个重要部分。现行的国外分析设计标准主要包括ASME Ⅷ-2《压力容器建造另一规则》和欧盟的EN 13445 《非火焰接触压力容器》等。在国内，现行的压力容器分析设计标准为JB/4732《钢制压力容器—分析设计》。

3.2 现行方法

    压力容器的疲劳设计是建立在应力分析的基础上的。疲劳设计应该在压力容器达到主应力强度和主应力加次应力强度限制条件前进行。目前，疲劳设计方法主要有三个类型，即基于疲劳试验的设计，基于断裂力学的设计和基于疲劳曲线的设计。

    (1)基于疲劳试验的设计：压力容器的循环次数需要小于疲劳试验的循环次数。然而，试验的成本非常高，所以这个方法经常应用于压力容器在高温或腐蚀等特殊环境下工作时的设计验证。

    (2)基于断裂力学的设计：首先假设初始裂纹尺寸，然后根据断裂模型确定最终裂纹尺寸，最后运用合适的裂纹扩展率公式计算发生疲劳失效前的循环次数。这一方法已被ASME Ⅷ-3 采纳，用于超高压压力容器的疲劳设计。

    (3)基于疲劳曲线的设计：设计疲劳曲线有两种类型。一种描述了应力范围和应力循环次数的关系，即σR-N曲线；另一种表现了应力幅度和应力循环次数的关系，即Sa-N曲线。

基于Sa-N疲劳曲线的设计步骤如下：

    (i)确定交变应力幅：各类主应力的最大响应值可以从应力分析中得到。该值的一半即为交变应力幅值（Salt）。考虑到设计温度的影响，最终的交变应力幅值由以下公式计算得出：

Salt'=Et×Salt/E

    (ii)设计疲劳曲线：图1所示为JB/4732中的设计疲劳曲线。从最终交变应力幅值的数据中我们可以得到许用循环次数（[N]）。

N≤[N]

    (iii)校对疲劳寿命：如果在工作环境下的期望循环次数值（N）比许用循环应力值（[N]）小，则压力容器满足疲劳寿命要求。否则，必须采取相应措施。

4、疲劳设计的发展趋势

4.1现行方法的缺陷

    随着现行的疲劳设计方法的飞速发展以及疲劳失效知识的积累，专家学者们已经提出了许多问题。以下是其中一些典型问题：

    (1)平滑样本的疲劳寿命主要受到裂纹萌生寿命的约束，而实际的焊接接头主要被裂纹扩展寿命影响。显然，用平滑样本代替实际焊接接头来决定疲劳设计曲线是标准中的不合理之处。

    (2)一些学者们指出，焊接之后的后处理，例如抛光，钨极氩弧焊等可以有效的提高压力容器在低载荷下的疲劳性能。然而，标准中并未考虑这一点。

    (3)目前，大多数疲劳设计曲线是从单一轴向的成比例载荷上获得数据的。与之相比，多轴载荷在金属材料的疲劳断裂方面扮演了重要的角色。

    (4)疲劳的线性累积破坏准则是建立在累积结果与不同的交变应力值出现顺序没有任何关系的基础上的。实际上，这跟事实并不相符。

4.2 发展趋势

    从疲劳设计的综合发展角度来讲：一方面，需要在基础理论方面做更深入的研究，以找到更加适应疲劳设计的理论基础。例如各向异性破坏理论，最小能量损耗原理等等。另一方面，在原始设计的基础上，需要考虑更多的实际复杂因素，用以进行可靠性设计和仿真的应用，包括各种结构的相互作用，综合考虑应力集中因素，负载模型的影响以及材料在各种应力状态下的性质等等。

    从发展的重点中我们可以看出，以下领域也许可以在今后优先发展。

    (1)不对称多轴的循环载荷研究：实际组件通常在不对称的多轴载荷下工作。现阶段相关的疲劳试验结果还少之又少。

    (2)影响因素的量子化：在这一过程中，概率论与数理统计的方法可以用来处理累积数据。

    (3)一般情况到特殊情况的拓展：应该找到完整而科学的从普通疲劳设计到特殊情况的理论。

    (4)疲劳裂纹的宏观和微观描述：疲劳裂纹的蔓延可以大致的分为三个阶段：晶体学扩展、过渡阶段和非结晶扩展。每个阶段的数学描述应该更加完善、详细。

    压力容器的疲劳设计包含了越来越多的研究领域。随着新技术、新材料的涌现，疲劳设计将在不同的领域得到更深远的应用。变幅载荷下的疲劳裂纹扩展，高频疲劳的应力集中，分层功能材料的热疲劳，数值模拟，新型材料疲劳研究，多轴疲劳和焊接结构疲劳等等将吸引更多人的关注。

参考文献

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