殘余應力對有缺陷球殼耐疲勞性能影響試驗研究

李 岳，張興和，李 典，溫殿江，姜一昌

（1.大連理工大學 化工機械與安全學院，遼寧 大連 116011；2.大連度達理工安全系統有限公司，遼寧 大連 116620）

壓力容器是承受一定壓力的特種設備，用于反應、換熱、分離和儲存等生產工藝過程，目前大多數壓力容器為內部承壓容器。受容器使用條件、結構及制造因素等的影響，壓力容器的事故率一直較高，造成的危害也非常大。

使用方面，有壓力、高溫或低溫載荷，也可能有疲勞載荷，介質存在腐蝕，在使用中經常因為誤操作或化學反應失控引起超壓。結構方面，局部應力復雜，如開孔區域或其他不連續區域存在應力集中，局部應力高，如果存在疲勞載荷，這些部位往往容易發生疲勞破壞［1-4］。制造方面，壓力容器大多為板焊結構，板材及焊接部位或多或少存在微觀缺陷［5-7］。壓力容器制造后的無損檢測，只能保證所存在的缺陷個數及尺寸不超過相應等級的無損檢測要求，并不能保證容器殼體內沒有任何缺陷，也不能保證缺陷無漏檢。

缺陷是疲勞破壞的根源，疲勞容器缺陷處會有較大應力集中，缺陷設備疲勞壽命與安全性是目前技術研究的重點之一。這方面的研究大多基于有限元應力分析，并通過疲勞壽命曲線對設備的使用壽命進行預測［8-10］，或基于某些評定方法對有缺陷壓力容器進行安全評定［11-14］。目前對提高現存缺陷薄壁容器耐疲勞性的研究不多，對于有缺陷的高壓、超高壓厚壁容器，則較多采用自增強技術提高容器的耐疲勞性［15-20］，利用厚壁殼體的彈塑性變形特點，使內壁保持較大的壓縮應力，這樣可大幅度降低存在缺陷的內壓殼體內壁應力，從而提高疲勞壽命，該技術已廣泛用于工程項目。

文中采用鈦材薄壁球冠形殼體進行試驗，在球冠上預制周向大尺寸槽型缺陷，研究了殼體中存在殘余應力和熱處理后消除殘余應力情況下的殼體耐疲勞性能。

1 缺陷準球冠形薄壁殼體預制及其爆破測試

1.1 預制方法

疲勞試驗在有缺陷的準球冠形薄壁殼體試樣上進行。試樣用鈦材薄板爆破預制，準備直徑80 mm、厚度0.3 mm圓形鈦材薄板1塊，用胎具在圓板上壓出深度均勻、直徑50 mm的圓形減弱槽，然后將圓板置于爆破工裝（圖1）上，通入1.80 MPa壓縮空氣，使之發生沿槽開裂的塑性變形而成為準球冠形薄壁殼體（圖2）。

圖1 準球冠形薄壁殼體制造方法示圖

圖2 準球冠形薄壁殼體結構示圖

采用圓板邊緣固定，利用氣壓使殼體發生塑性變形方法預制的準球冠形殼體，其球冠下部存在1個未穿透的圓形槽，根據經驗可以定性預判此槽對球殼的耐疲勞性影響會極大，將使球殼疲勞壽命大幅度降低。另外，殼體的壁厚在預制成形后也比原始材料厚度減薄一些，這種大尺度缺陷和成形方法在實際設備上是不可能存在的。但從殘余應力對殼體耐疲勞影響研究的角度考慮，這種塑性變形方法可以在殼體內產生符合研究需要的較大殘余壓縮應力，此種試驗方法因而具有研究上的合理性。

1.2 爆破測試

在對預制的試樣進行疲勞試驗前，需要先按照疲勞試驗目標壓力、允許壓力偏差、操作壓力范圍要求進行抽樣爆破試驗測試，從技術上確保選擇的試樣滿足疲勞試驗要求。總共預制了18件有缺陷的準球冠形薄壁殼體，根據概率統計分析方法，只需從中隨機抽取3件進行試驗，若這3件試樣滿足要求，則認為剩余15件為滿足疲勞試驗要求的合格試樣。

抽樣爆破試驗要求的目標爆破壓力為2.0 MPa，爆破壓力偏差±5%，允許爆破壓力為1.90～2.10MPa。爆破試驗隨機抽樣結果及爆破壓力見表1。

表1 準球冠形缺陷薄壁殼體隨機抽樣結果及爆破壓力

表1顯示，隨機抽樣結果均滿足預定的爆破試驗要求，因此可預測剩余15件有缺陷的準球冠形薄壁殼體的爆破壓力在1.90～2.10 MPa，滿足疲勞試驗對試樣的要求。

2 有缺陷球殼疲勞試驗方法及結果討論

2.1 樣件分組處理

從通過爆破測試確定的15件合格預制準球冠形殼體中隨機取10件，在馬沸爐中對其進行350℃低溫消除殘余應力熱處理，并在350℃下保溫40 min，取出空冷，然后在此10件產品中再隨機取5件，逐片安裝在圖1所示結構中，依次通入1.8 MPa壓縮空氣進行再次加壓，理論上試樣會產生二次微變形和殘余壓縮應力。上述操作將 15 件試樣分為 3 組，第 1 組為 1#、5#、10#、16#、18#試樣，共5件，為經過低溫消除殘余應力熱處理的樣件； 第 2 組為 6#、7#、11#、12#、15#試樣，共5件，殼體內有較大殘余壓縮應力；第3組為3#、4#、8#、13#、17#試樣，共 5 件，為經過低溫熱處理后再一次受壓發生輕微變形的試樣。

2.2 疲勞試驗結果

分別用上述3組試樣進行疲勞試驗，試驗壓力0～0.8 MPa，疲勞上限壓力保壓2 s，3組15個編號試樣的疲勞破壞次數見表2。

表2 3組試樣極限疲勞破壞次數

2.3 試驗結果分析

根據表2計算的第1組試樣的平均疲勞破壞次數為541次，第2組的為1 617次，第3組的為1 151次。對比3組試樣的平均疲勞破壞次數可見，在相同試驗條件下，第2組的約為第1組的3倍，約為第3組的1.4倍；第2組、第3組的約為第1組的2～3倍。

基于試驗結果，認為3組試樣所代表的3種有缺陷殼體的唯一區別是，350℃熱處理基本消除了殼體內殘余壓縮應力，再一次充壓使殼體內又產生了部分殘余壓縮應力，殘余壓縮應力最大的是由平板發生塑性變形為球冠形的殼體。結合350℃的低溫熱處理是無法改變鈦材殼體的組織結構這一基本認識，認為殼體內殘余壓縮應力越大對提高殼體的耐疲勞性越有利。殘余壓縮應力的作用是，在受內壓疲勞時殘余壓縮應力部分抵消了內壓產生的拉應力，使疲勞應力幅大幅度下降，明顯提高了殼體的疲勞壽命，所以未經熱處理產品具有非常好的耐疲勞性。

從設備耐疲勞角度看，使承受內壓的容器殼體內保持一定殘余壓縮應力對提高設備的疲勞壽命非常有利。對受內壓的卷焊壓力容器，如果能保證殼體內是殘余壓縮應力，則不必熱處理。無法保證時，必須經過熱處理，熱處理后必須經過壓力試驗，使殼體內產生一定殘余壓縮應力，這對提高容器的耐疲勞性是非常有利的，也許對疲勞容器采用更大的壓力試驗也是非常必要的。

3 結語

試驗研究了有缺陷球殼殼體中存在殘余應力和熱處理后消除殘余應力情況下的殼體耐疲勞性。對試驗結果的分析表明，內壓殼體中存在一定殘余壓縮應力會明顯提高殼體的疲勞壽命，并且殘余壓縮應力越大，有缺陷殼體的疲勞壽命越長。經過低溫熱處理消除殘余壓縮應力的有缺陷殼體，其疲勞壽命會大幅度降低，所以對經過消除應力熱處理的殼體，應進行壓力試驗以保持殼體內有一定的殘余壓縮應力，這對提高殼體的疲勞壽命極其有利。