壓力容器疲勞壽命與裂紋研究分析

張開然 田路軍

摘要：壓力容器使用廣泛，其生產(chǎn)加工形式主要由焊接組成，在其焊縫中難免會存在漏焊或未焊透現(xiàn)象，壓力容器的大表面也會存在表面缺陷。在內(nèi)部壓力的作用下，這些微小缺陷很快形成初始表面裂紋，隨之擴展，這些缺陷給壓力容器帶來致命隱患。因此，對容器表面裂紋擴展規(guī)律的研究，及剩余使用壽命的評估，具有重要的實際工程意義。

關(guān)鍵詞：壓力容器;裂紋;影響因素

在實際生產(chǎn)加工過程中，構(gòu)件通常會在交變載荷的情況下工作，在此工作條件下若構(gòu)件中存在裂紋則對結(jié)構(gòu)十分不利，構(gòu)件中的裂紋也會在此種情況下得到發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，有60%以上的容器泄漏、斷裂事故由裂紋引起。

1.裂紋的形式及分類

工程構(gòu)件中存在多種缺陷，在冶煉、生產(chǎn)加工過程中都會帶來這樣那樣的缺陷，如夾渣、刀痕、未焊透等，這些缺陷都會給構(gòu)件帶來安全隱患。在斷裂力學(xué)中，把這些缺陷統(tǒng)稱為“裂紋”，并對這些裂紋進行了分類。工程構(gòu)件中的缺陷及裂紋均可以考慮為三維問題，為了利于工程實踐，經(jīng)過專家學(xué)者的實驗研究將多種表面裂紋形式用橢圓形及半橢圓形來描述，具體又可分為埋藏裂紋、表面裂紋、角裂紋、孔壁表面裂紋、孔壁角裂紋。在壓力容器結(jié)構(gòu)，由于表面積大加工及運輸?shù)脑颍菀桩a(chǎn)生表面裂紋。壓力容器封頭與圓筒形體的連接采用了焊接的形式，在焊接過程中容易產(chǎn)生埋藏裂紋及焊縫殘余應(yīng)力。按不同的方法可以將裂紋分為不同的形式，按其受力情況對裂紋的形式進行定義與分類，可以將其分為張開型、滑開型與撕開型。

2.應(yīng)力疲勞條件下的裂紋擴展

眾多學(xué)者在對裂紋裂紋擴展的研究中，試圖通過某種方式搭建起材料力學(xué)參數(shù)與其裂紋擴展的橋梁。對裂紋裂紋擴展速率的表達學(xué)者們定義：Δa/ΔN（mm/次）來表示裂紋擴展速率，其中ΔN為循環(huán)次數(shù)，Δa為裂紋在ΔN次循環(huán)后的增長量，對裂紋擴展做微分處理，即裂紋擴展為da/dN，這稱為“裂紋擴展速率”。

對于單軸循環(huán)應(yīng)力下，與應(yīng)力方向垂直的裂紋的擴展速率，可以表示為：

公式（2.1）中，N是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，a是裂紋長度，σ是正應(yīng)力，C是材料常數(shù)。

3.影響裂紋擴展的若干因素

應(yīng)力疲勞條件下，裂紋擴展主要受應(yīng)力強度因子幅度ΔK的影響，其相當于源動力。然而眾多工程現(xiàn)象和實驗表明，疲勞裂紋擴展時，對其產(chǎn)生影響的因素眾多。

3.1平均應(yīng)力的影響

疲勞裂紋擴展時，當應(yīng)力強度因子幅值一定時，da/dN將會隨應(yīng)力比R變化，R升高裂紋擴展速率加快。由平均應(yīng)力σm和應(yīng)力幅σa經(jīng)過理論推導(dǎo)，σm與Δσ和R之間存在如下聯(lián)系

公式（2.3）表明，當Δσ為定值，即ΔK是定值時，σm會隨R的增大而增大（0≤R

3.2過載峰的影響

構(gòu)件本身不會簡單的承受一種恒幅載荷形式，而是復(fù)雜的載荷譜疊加而成的變幅載荷。一些專家學(xué)者通過實驗顯示，在單一交變載荷作用下擴展速率穩(wěn)定，此時施加一個尖峰載荷，其接下來的裂紋擴展速率將變低，有的乃至于降低到0，隨后經(jīng)過一段時間的交變載荷恢復(fù)，其裂紋擴展速率才回到相應(yīng)的數(shù)值上去。運用Miner損傷理論對裂紋擴展進行探討，發(fā)現(xiàn)理論中值往往不等于1而大于1，由上述分析得出結(jié)論是由于尖峰載荷的延緩作用。

3.3加載頻率的影響

加載頻率的影響與裂紋擴展所處的應(yīng)力強度有直接的關(guān)系，一般情況下，在應(yīng)力強度因子較低時，載荷頻率的變化對其裂紋擴展的作用微小。然而當應(yīng)力強度因子值ΔK較高時，特別是受到外界環(huán)境的多重影響，如高溫、高壓，此時會出現(xiàn)頻率影響同蠕變影響共同作用，那么頻率對裂紋擴展的影響就相當顯著了，頻率越低影響越大，裂紋擴展速率將明顯升高。在實際工況中若材料受到應(yīng)變疲勞時其加載頻率均較低，所有我們實驗所得的高頻下裂紋擴展速率要經(jīng)過修正后才能應(yīng)用于工程實際問題。

3.4溫度的影響

溫度對裂紋擴展的影響受到材料的限制，在后文中提及在低溫及中高溫的環(huán) 境中，溫度是通過改變材料固有參數(shù)來影響其裂紋擴展速率，而在高溫情況下，溫度對裂紋擴展的影響比較復(fù)雜，其中涉及到高溫蠕變、高溫氧化、金相改變等諸多因素。溫度對裂紋擴展的影響是隨著溫度上升，裂紋擴展速率增大。相反隨著溫度的下降擴展速率會降低。通過實驗驗證，鋁合金板裂紋擴展受溫度的影響，60°C擴展速率較20°C快了3倍多。學(xué)者對對304不銹鋼的裂紋擴展速率進行了深入研究，材料在649°C時較24°C時裂紋擴展速率高了11倍。

3.5腐蝕環(huán)境的影響

腐蝕環(huán)境對裂紋擴展的作用不容忽視，如海洋作業(yè)平臺、石油鉆臺、噴涂車間、潮濕環(huán)境等。特別腐蝕環(huán)境與頻率影響的疊加，在腐蝕環(huán)境中頻率越低其對壽命的影響越大，從而我們要選擇好材料，降低材料對環(huán)境的敏感程度。

總結(jié)

綜上所述，對于不同的疲勞形式采取不同的分析方法，在疲勞過程中充分考慮的外界載荷及環(huán)境對疲勞過程的影響，所采取的分析及估算方法直接影響到最終的壽命結(jié)果。在壓力容器設(shè)計及壽命校核方面借助有限元方法可以提高運算速率及安全性。

參考文獻

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