基于歐美壓力容器規(guī)范的平封頭角焊縫疲勞壽命研究

蘇文獻(xiàn)， 周飛鴿， 范 斌

（1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海妍杰機(jī)械工程有限公司，上海 201314）

隨著石油化工等工業(yè)的迅速發(fā)展，許多壓力容器要承受交變載荷，例如，頻繁地開、停工以及壓力波動、溫度變化等，使得容器中的應(yīng)力隨時間呈周期性（或無規(guī)則）變化.生產(chǎn)規(guī)模的大型化和高參數(shù)化也使得更多高強(qiáng)度材料應(yīng)用于壓力容器，造成壓力容器發(fā)生疲勞失效的事故增加［1］.壓力容器疲勞失效往往起源于局部高應(yīng)力區(qū)，疲勞斷裂時，容器的總體應(yīng)力水平較低，一般低于材料的屈服強(qiáng)度，斷裂往往在容器正常工作條件下發(fā)生，沒有明顯的塑性變形，具有突發(fā)性，危險性很大.

平封頭常用于人孔蓋、手孔蓋和高壓容器，其中，平封頭與筒體之間使用角焊縫連接是較常見的一種形式［2］.焊接接頭中通常存在未焊透、夾渣、咬邊及裂紋等焊接缺陷，這種先天的疲勞裂紋源可直接越過疲勞裂紋萌生階段，縮短疲勞斷裂的進(jìn)程.而且，焊接接頭處存在著嚴(yán)重的應(yīng)力集中和較高的焊接殘余應(yīng)力，這些都會使焊接結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致疲勞斷裂［3］.所以，封頭與筒體間的焊縫區(qū)域是疲勞破壞十分常見的地方.Hinnant［4］在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了3組壓力容器平封頭焊接接頭疲勞試驗，采用平均失效準(zhǔn)則和首次失效準(zhǔn)則，得到了兩類不同的疲勞壽命.但是，壓力容器中只要有一處發(fā)生破壞，整個容器便無法正常工作，因此，選擇采用首次失效準(zhǔn)則得到的疲勞壽命更為合理.本文根據(jù)首次失效準(zhǔn)則的實際疲勞壽命，借助ANSYS有限元軟件，分別按照ASME VIII－2《壓力容器另一規(guī)則》［6］和EN 13445《非火焰接觸壓力容器》［7］進(jìn)行疲勞評定，分析比較兩種疲勞設(shè)計方法的差別.

1 歐美疲勞設(shè)計規(guī)范

目前，工程界對材料和結(jié)構(gòu)的疲勞給予了足夠的重視，各國壓力容器行業(yè)針對疲勞問題都制定了各自的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).如美國的ASME VIII－2、歐盟的EN 13445、意 大 利 的VSR 1995 和 我 國 的JB 4732－1995［8］，其中，ASME VIII－2和EN 13445規(guī)范是國際上主流的疲勞設(shè)計相關(guān)規(guī)范.但是，由于這兩大主流壓力容器疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在疲勞評定方法、步驟、設(shè)計曲線的選取和相關(guān)制造、檢測要求上的不同，對同一結(jié)構(gòu)，將會得到不同的許用循環(huán)次數(shù).即使同一規(guī)范內(nèi)也有多種疲勞評定方法.所以，很有必要結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對這兩種疲勞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的分析和比較.

1.1 ASME VIII－2

有關(guān)疲勞設(shè)計的內(nèi)容主要列于ASME VIII－2的5.5節(jié)：防止由循環(huán)載荷引起的失效.包括疲勞分析篩分方法、3種詳細(xì)的疲勞評定方法（彈性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)力、彈－塑性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)變、彈性應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力）和棘輪評定.ASME VIII－2的3種方法都是基于設(shè)計疲勞曲線的方法.另外，ASME VIII－2 還包括了基于試驗的疲勞設(shè)計方法，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計方法已列入ASME VIII－3，用于超高壓容器的疲勞設(shè)計.

疲勞篩分用以確定疲勞分析是否需要作為設(shè)計的一個組成部分.如果元件不滿足篩分準(zhǔn)則，則應(yīng)進(jìn)行疲勞評定.在ASME VIII－2中疲勞曲線分為光滑桿件的設(shè)計疲勞曲線和焊接件的設(shè)計疲勞曲線.光滑桿件的疲勞曲線由光滑桿件試樣作出，且對平均應(yīng)力和應(yīng)變的最大可能影響進(jìn)行了調(diào)整，可用于帶或不帶焊縫的元件；焊接件的疲勞曲線是以焊接件試樣作出，且包括對厚度和平均應(yīng)力影響的調(diào)整，僅用于焊接件.為防止發(fā)生棘輪現(xiàn)象，對所有操作載荷還應(yīng)進(jìn)行棘輪評定.

1.2 EN13445

EN 13445 給出了兩種疲勞設(shè)計方法，即第17章的疲勞壽命的簡化評定法和第18章的疲勞壽命詳細(xì)評定法.以上兩種方法也是基于設(shè)計疲勞曲線的方法.但EN 13445 疲勞曲線采用應(yīng)力全幅，ASME VIII－2為應(yīng)力半幅；EN 13445循環(huán)次數(shù)安全系數(shù)為10，應(yīng)力范圍安全系數(shù)為1.5，而ASME VIII－2 中相應(yīng)的安全系數(shù)分別為20 和2.EN 13445在疲勞評定中提出了名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和缺口應(yīng)力的應(yīng)力分類方法，并區(qū)分焊接區(qū)與非焊接區(qū)，且采用了諸多修正因子.

疲勞壽命的簡化評定應(yīng)用比較方便，適用于元件應(yīng)力可以采用公式計算得到的情況，僅適用于壓力載荷波動條件，且對壓力波動的范圍以及當(dāng)量循環(huán)次數(shù)進(jìn)行了限制.詳細(xì)評定方法是一種通用方法，適用范圍廣，但此方法需要進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析［9］.

2 平封頭結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計參數(shù)

3組試樣的結(jié)構(gòu)如圖1所示（見下頁），相應(yīng)尺寸如表1所示（見下頁）.封頭和筒體的材料均為SA 36，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，設(shè)計溫度下的屈服強(qiáng)度為250 MPa，抗拉強(qiáng)度為550 MPa.3 組 試 樣 的 最 大 循 環(huán) 壓 力 分 別 為0.276，0.345，0.414MPa，最小壓力均為0MPa，故采用最大壓力載荷計算得到的當(dāng)量應(yīng)力即代表當(dāng)量應(yīng)力范圍.設(shè)計溫度為室溫.焊縫為全焊透的角焊縫，開雙面坡口，采用TIG 焊接法（非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊），背面打磨，焊接材料的強(qiáng)度與母材相同.D1為筒體外徑，T1為筒體壁厚，D2為平封頭直徑，T2為 平 封 頭 壁 厚，W1，W2，W3，W4分 別 為 焊 腳高度.

圖1 試樣結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure of specimen

表1 結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structure dimensions mm

2.2 有限元模型

由結(jié)構(gòu)和載荷對稱性，采用PLANE 82軸對稱面單元建立軸對稱模型，筒體長度方向尺寸遠(yuǎn)大于邊緣應(yīng)力的衰減長度.網(wǎng)格劃分如圖2所示，對焊縫及其附近區(qū)域網(wǎng)格加密處理.在模型內(nèi)表面施加均布內(nèi)壓，筒體模型端面約束軸線方向位移為零.

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model mesh

2.3 有限元計算結(jié)果

試樣1的彈性應(yīng)力分析結(jié)果如圖3所示.從圖3中可以得到，一次加二次加峰值當(dāng)量應(yīng)力范圍ΔSp最大值出現(xiàn)在筒體內(nèi)壁的焊趾缺口處，其值為524.281MPa.

圖3 試樣1彈性應(yīng)力分析結(jié)果Fig.3 Elastic stress analysis result of specimen 1

彈－塑性應(yīng)力分析時依據(jù)焊縫材料數(shù)據(jù)，設(shè)置材料屬性為雙線性運(yùn)動強(qiáng)化.因SA 36切向模量值不易獲得，但SA36與國內(nèi)材料Q235力學(xué)性能相似，在此取其切線模量為6 100 MPa.經(jīng)有限元計算后，得到試樣1 的當(dāng)量應(yīng)力范圍ΔSp的值為294.768MPa，當(dāng) 量 塑 性 應(yīng) 變 范 圍 Δεpeq為0.001 746，如圖4所示.

圖4 試樣1的彈－塑性應(yīng)力分析結(jié)果Fig.4 Elastic－plastic stress analysis result of specimen 1

3 疲勞評定

利用ANSYS后處理模塊可以得到各種疲勞評定方法所用到的各類應(yīng)力、應(yīng)變等參量，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的公式，并考慮規(guī)定的各種修正系數(shù)，計算得到相應(yīng)的應(yīng)力幅或應(yīng)力范圍；再根據(jù)疲勞設(shè)計曲線或曲線擬合公式，計算得到相應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù).

3.1 ASME VIII－2彈性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)力

彈性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)力法對于由線彈性應(yīng)力分析所得結(jié)果，認(rèn)為對疲勞評定起決定性作用的應(yīng)力是有效的總當(dāng)量應(yīng)力幅，它定義為在載荷規(guī)律中對每一循環(huán)所計算得的有效的總當(dāng)量應(yīng)力范圍的一半.

式中，Salt為有效交變應(yīng)力幅；Kf為疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)；Ke為疲勞損失系數(shù)；ΔSp為一次加二次加峰值當(dāng)量應(yīng)力范圍.

根據(jù)有限元分析結(jié)果及規(guī)范內(nèi)容規(guī)定，由有效交變應(yīng)力幅Salt和光滑桿件設(shè)計疲勞曲線擬合公式確定的3 組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為8 146，7 780和10 022.

3.2 ASME VIII－2彈－塑性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)變

彈－塑性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)變法對于彈－塑性應(yīng)力分析所得的結(jié)果，采用有效應(yīng)變范圍來評定疲勞損傷.對于載荷規(guī)律中的每一循環(huán)，采用逐一循環(huán)法或二步屈服法中的任一方法計算有效應(yīng)變范圍.本文采用逐一循環(huán)分析、運(yùn)動硬化的循環(huán)塑性算法.

有效應(yīng)變范圍

有效交變應(yīng)力幅

式中，Eya為考慮點平均溫度下的彈性模量；Eyf為所采用疲勞曲線的彈性模量.

由有效交變應(yīng)力幅Salt和光滑桿設(shè)計疲勞曲線擬合公式確定的3 組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為5 901，2 297和6 039.

3.3 ASME VIII－2彈性應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力

彈性應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力法采用當(dāng)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍參量評定由線彈性應(yīng)力分析所得結(jié)果的疲勞損傷.在疲勞評定中起決定性的應(yīng)力是結(jié)構(gòu)應(yīng)力，它是垂直于假想裂紋平面的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的函數(shù).這一方法推薦用于并未機(jī)加工至光滑輪廓的焊接件的評定.

當(dāng)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力

式中，tess為結(jié)構(gòu)應(yīng)力有效厚度；mss，I，fM分別為相關(guān)校正系數(shù)；Δσ 為所評定點處的局部非線性結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍，由彈性法計算得的結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍和結(jié)構(gòu)應(yīng)變范圍經(jīng)塑性修正得到.

由當(dāng)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力ΔSess和焊接件設(shè)計疲勞曲線擬合公式，確定許用循環(huán)次數(shù).根據(jù)不同的統(tǒng)計依據(jù)，規(guī)范給出了7條設(shè)計疲勞曲線.規(guī)范規(guī)定，除非用戶和制造廠有其它的協(xié)定，設(shè)計應(yīng)采用較低的99%的設(shè)想間隔（－3σ）的疲勞曲線.為了分析統(tǒng)計依據(jù)對評定結(jié)果的影響，在此分別選擇最為保守的低于99%的估計間隔的疲勞曲線和平均曲線進(jìn)行計算.采用低于99%的估計間隔的疲勞曲線所得3組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為1173，1433和2061；采用平均曲線所得3組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為6 418，7 874和11 279.

3.4 EN13445簡化評定法

使用簡化評定法須首先確定壓力差和應(yīng)力系數(shù)，在此基礎(chǔ)上計算出應(yīng)力范圍并進(jìn)行修正，然后根據(jù)疲勞曲線和許用循環(huán)數(shù)進(jìn)行評定［10］.

局部非線性結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍

式中，ΔP 為壓力差；Pmax為構(gòu)件或容器的最高許用壓力；η 為應(yīng)力系數(shù)；f 為名義設(shè)計應(yīng)力.

Δσ 經(jīng)溫度和壁厚系數(shù)修正后得到虛擬應(yīng)力范圍，然后由焊接區(qū)域疲勞設(shè)計曲線擬合公式確定的3組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為2 252，2 421 和3 230.

3.5 EN13445詳細(xì)評定法

EN 13445在疲勞評定中提出了名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和缺口應(yīng)力的應(yīng)力分類方法，其示意圖如圖5所示（見下頁），σ 為應(yīng)力；T1為筒體壁厚.

在焊接區(qū)，使用外推法求得靠近焊縫處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力.預(yù)計此處會有較高的彎曲應(yīng)力，有限元模型網(wǎng)格尺寸小于等于0.2 T1，所以，采用三點二次外推法.對此結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行溫度、厚度以及塑性修正，得到當(dāng)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍，然后由焊接區(qū)域疲勞設(shè)計曲線擬合公式確定的3組試樣的許用循環(huán)次數(shù)分別為5 945，6 382和8 354.

3.6 試驗結(jié)果對比

Hinnant平封頭疲勞試驗3組試樣的試驗壓力循環(huán)次數(shù)分別為32 273，21 568，16 594.表2（見下頁）列出了各種疲勞評定方法得出的許用循環(huán)次數(shù)與試驗循環(huán)次數(shù)的比值.

圖5 結(jié)構(gòu)不連續(xù)處名義應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和缺口應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of nominal，structural and notch stress at structure discontinuity

表2 計算壽命的安全余量Tab.2 Safety toleranceofcalculatedlife

4 結(jié) 論

以壓力容器平封頭為研究對象，利用ANSYS軟件進(jìn)行了彈性和彈－塑性計算，根據(jù)ASME VIII－2和EN 13445標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了疲勞評定，通過對比得到以下結(jié)論：

a.總體來說，所有疲勞評定方法預(yù)測的壽命均小于試樣的實際壽命.其中，ASME VIII－2彈性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)力法得出的疲勞壽命較接近實際值.

b.壓力容器應(yīng)力集中區(qū)的材料屈服后，理論上應(yīng)該考慮塑性應(yīng)變，但結(jié)果表明，即使認(rèn)為材料在整個過程中都處于彈性區(qū)間，計算得的疲勞壽命也是可靠的，如果采用彈－塑性應(yīng)力分析法，將使得計算結(jié)果更保守，不過，彈－塑性分析法計算步驟較少，不需要計算疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)和疲勞損失系數(shù)，計算過程非常簡便.EN 13445并未采用彈－塑性分析法，而是當(dāng)計算的彈性結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍超過材料屈服強(qiáng)度兩倍時，引入塑性校正系數(shù)加以修正.

c.對于焊縫分析法，采用不同的預(yù)測區(qū)間結(jié)果相差很大.低于99%的預(yù)測區(qū)間（－3σ）導(dǎo)致了最為保守的計算結(jié)果，而采用平均曲線得出的計算結(jié)果又突然提高了很大的幅度.ASME VIII－2 規(guī)范指出，此方法推薦用于并未機(jī)加工至光滑輪廓的焊接件的評定，對于調(diào)整至光滑輪廓的焊接件可以采用前兩種方法.

d.ASME VIII－2 對于是否需要進(jìn)行疲勞評定，采用疲勞篩分的方法.而EN 13445認(rèn)為免除疲勞分析的判斷條件在大部分情況下偏于保守，但直接進(jìn)行疲勞設(shè)計又因需要詳細(xì)的應(yīng)力分類而過于復(fù)雜，故借鑒德國標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗，代之以簡化評定法.故簡化評定法是一種粗略的、簡便的疲勞強(qiáng)度評定方法，規(guī)范也說明了此法適用于不需精確計算疲勞壽命的情況.

e.EN 13445詳細(xì)評定采用外推法求得結(jié)構(gòu)應(yīng)力，將峰值應(yīng)力從缺口應(yīng)力中剔除，得到了相對接近試驗壽命的計算壽命.由于ASME VIII－2彈性應(yīng)力分析和當(dāng)量應(yīng)力法將峰值應(yīng)力計入用于評定疲勞的當(dāng)量應(yīng)力幅，故在峰值應(yīng)力很大時，兩種規(guī)范的評定結(jié)果差別會進(jìn)一步加大.

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