壓力容器的疲勞損傷與其防護技術分析

王剛

摘 要 進入21世紀以來，在社會經濟穩步發展的背景下，我國工業制造水平得到了較快的提升。值得注意的是，基于工業生產過程中，壓力容器的應用非常廣泛，但是壓力容器在應用期間易遭遇循環載荷的影響，且在長時間影響下會發生持續集中應力，導致某區域出現疲勞裂紋的問題，進一步導致壓力容器發生疲勞破壞的問題。因此，本課題在分析壓力容器疲勞損傷的特點引發機制條件下，進一步提出相應的防護技術手段，以期降低并控制壓力容器的疲勞損傷，提高壓力容器的實際應用效果。

關鍵詞 壓力容器 疲勞損傷 防護技術

壓力容器發生的疲勞損傷形式具備多樣性的特點，包括了腐蝕損傷、任性損傷等，如果出現疲勞損傷，未能及時處理或采取有效的防護措施，則會導致壓力容器的實際應用效果受到較大程度的影響。[1]鑒于此，本課題圍繞“壓力容器的疲勞損傷與其防護技術”進行分析探討具備一定的價值意義。

一、壓力容器疲勞損傷特點及形成機制分析

（一）特點分析

對于壓力容器發生的疲勞損傷來說，實際上是不容易被發現的，但是從壓力容器出現的整體損傷來看，其所占比重頗高，有相關數據調查顯示壓力容器疲勞損傷所占比重高達29.1%。[2]總結起來，壓力容器疲勞損傷的具體特點包括：第一，塑性變形較難觀察到，同時壓力容器在壁厚與直徑上均無顯著的改變;基于顯微鏡觀察條件下，能夠發現疲勞失效的部分存在疲勞裂紋的問題，并且裂紋通常分布在應力比較集中的部位，基于不斷升降壓力變化的情況下，會導致壓力容器的破壞程度增加;第二，在出現疲勞損傷的情況下，在壓力容器的斷口有兩個區域比較突出，其一為裂紋聚集區域，其二為斷裂區;第三，基于壓力容器應力集中部位，基于疲勞損傷發生后，高低壓循環往復，裂紋的擴張會增加，主要原因是因為壓力發生了變化;第四，壓力容器在發生疲勞損傷之后，在交變荷載的影響下，產生的裂紋會貫穿金屬，使設備泄露進一步失穩失效。

（二）形成機制分析

壓力容器疲勞損傷形成機制可分為兩大類：其一為高應力低周疲勞;其二為低應力高疲勞。兩種形成機制的具體內容為：第一，高應力低周疲勞。在金屬材料受到比較高的應力作用下，同時在應力變化范圍偏高的情況下，會導致比較少的交變次數，進一步致使金屬材料發生失效的問題。同時，若金屬材料受到比較高的應力作用，其應力與金屬材料的屈服極限接近，或高于其屈服極限，會導致交變次數大大增加，從而產生形變的問題，此類疲勞稱之為塑性疲勞。第二，低應力高周疲勞。基于金屬材料受到交變在和循環周期沒分超過1000次的情況下，同時材料城市的應力處于其彈性范圍當中，此時金屬材料能夠承受無限多次交變載荷，能夠避免出現疲勞損傷;但是如果不在彈性范圍當中，便會形成疲勞裂紋。

此外，值得注意的是，在相關失效案例顯示，高應力低周疲勞的發生率明顯要比低應力高周疲勞高，對此結果需引起充分的重視。

二、壓力容器疲勞損傷相關防護技術剖析

為了降低或控制壓力容器疲勞損傷的發生，需采取有效的防護技術，結合壓力容器的實際應用情況，其防護技術需從疲勞設計與具體防護技術方案兩大方面考慮，具體為：

（一）合理科學進行壓力容器的疲勞設計

基于壓力容器疲勞設計期間，首要工作是認真設計壓力容器，對其主體結構及所需材料加以明確，進一步完成有限元分析，然后對其應力集中點加以明確，并根據材料的疲勞特性，以疲勞載荷荷譜為參考依據，預測壓力容器的整體疲勞壽命。完成上述工作之后，需任曦及確認預測結果，結合具體工程的情況，合理修改設計。值得注意的是，基于設計前，需將疲勞曲線圖作為參考，獲取斷裂發生情況下循環周次和金屬承受交變應力之間存在的相關性信息。不同的材料對交變應力的抵御能力也存在差異，需明確其循環次數及破壞臨界應力。基于初始設計情況下，需注意疲勞破壞是應變偏大還是應力偏高的部位開始的。

對于壓力容器的疲勞設計，通常會三種方式：其一，基于試驗的疲勞設計;其二，基于斷裂力學的疲勞設計;其三，基于疲勞曲線的疲勞設計。其中，基于試驗的疲勞設計存在成本較高的缺陷，基于斷裂力學的疲勞設計在結構設計需進行相對應的處理，會出現和實際工程輕存在差異的問題。

（二）做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護

為了做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護，一方面，基于壓力容器制造及檢驗期間，需嚴把質量關，加強選材、焊接以及裝配等過程的質量監控。另一方面，單位在設備驗收過程中，需加強與檢驗單位的配合，做好監督檢驗工作;需確保壓力容器中諸如腳螺栓等固定零部件的牢固，并確保壓力容器應用平穩，避免發生異常震動的問題。此外，嚴格按照壓力設備的相關操作規范要求進行壓力容器的使用，確保設備安全、穩定運行，降低壓力頻繁波動情況的發生，避免出現壓力和溫度發生大幅波動等問題，使設備處于正常、安全、可靠的運行狀態。

三、結語

壓力容器的疲勞損傷在未能得到有效防護的情況下，會導致設備運行失效。因此，需做好壓力容器疲勞損傷的相關防護工作。一方面，合理科學進行壓力容器疲勞設計;另一方面，做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護。相信從以上方面加以完善，壓力容器疲勞損傷將能夠得到有效防護，進一步確保壓力容器處于安全可靠的運行狀況當中。

（作者單位為沈陽特種設備檢測研究院）

參考文獻

[1] 高勇，淡勇，李紅亞，李凱莉，陳慧.接管形式及接管尺寸對壓力容器疲勞壽命的影響[J].甘肅科學學報，2018，30（06）：78-81.

[2] 王陳煒.壓力容器的疲勞損傷與其防護技術[J].化學工程與裝備，2018（11）：261-262.