以某泄漏設備為例探討疲勞分析在設計中的應用

楊 波

（浙江工程設計有限公司，杭州310000）

近年來，化學工業的快速發展，對壓力容器需要承擔的工況要求越來越復雜，各種使用高強度鋼的特種設備日益增多，設計方法也被不斷改進，各種安全系數在設計標準中的被不斷的調低。壓力容器因各種因素的影響導致各種疲勞事故不斷出現，疲勞失效在壓力容器的安全事故統計中占約40%[1]。因此，各國在壓力容器的安全設計規范中都明確了基于疲勞分析的設計方法，以確保設備在安全使用期限內，壓力容器不發生相關疲勞失效。在中國使用的是JB 4732－1995標準[2]；美國標準是ASME VIII-2，而歐盟的標準是EN13445。

目前常用的疲勞分析法都使用S-N曲線。而SN曲線就是通過恒福的循環載荷測定循環次數和循環應力幅值相對應的材料性能的曲線。通過S-N曲線查到的可循環次數與預計循環次數比較，得出該設備是否符合疲勞分析標準。

明確的塑性變形往往不會出現在壓力容器疲勞破壞時，而在局部高應力集中區往往會發生斷裂。當設備的局部集中了相對高的應力，其應力峰值大于設備材料的屈服極限，就會出現晶粒滑移，當不斷循環變化的載荷作用于該局部區域，滑移的晶粒導致產生微裂紋，這類微裂紋經過不斷的積累擴展，最后出現疲勞斷裂。

1 某項目反沖罐的疲勞分析

疲勞分析作為基本設計方法以應力分析法作為根本。在滿足GB 150－2011中關于一次應力和二次應力的相關要求后，通過查詢S-N疲勞設計曲線，判斷設備能否滿足長期安全使用的要求[3]。操作工況、設備的相應結構、所選用的材料及相應性能這些完全確定后，先完成詳盡的應力分析，接著進行相關疲勞設計。本文就某項目反沖罐出現現場泄漏事故后，重新進行疲勞分析進行討論。

1.1 結構參數

設備內徑Di=1 200 mm，原筒體壁厚δ=6 mm，材質為TA2。筒壁上有DN500的人孔，主要進料口為耳座上端筒壁上DN100的進液口。其結構如圖1所示。

按照JB 4732的規定，不做疲勞分析的次數為小于1 000次，預計該設備實際面臨的壓力循環次數遠大于此，所以需要做疲勞分析。

1.2 基本應力分析

計算方法按照目前國內設計廠家廣泛使用的SW6.0計算軟件，根據該設備的設計壓力，設計溫度條件，使用軟件計算得到筒壁最大應力為71.04 MPa，小于該設備所用鈦材在設計溫度下的許用應力即134 MPa。按照GB 150的要求靜設備設計時需滿足的3條要求：

1）總體一次薄膜應力（Pm）小于設備材料許用應力（Sm），即Pm＜Sm；

2）局部一次薄膜應力（PL）加一次彎曲應力（Pb）的和小于1.5倍Sm，即Pm+PL＜1.5Sm；

3）局部一次薄膜應力（PL）加一次彎曲應力（Pb）及二次應力強度（Q）之和小于3Sm，即PL+Pb+Q＜3Sm。

該設備計算合格，但現場該設備實際使用中存在平均每小時3次的循環應力工況，每次導致筒體內存在0～64.59 MPa的變化應力，根據JB 4732的規定，變化的循環應力大于該設備鈦材許用應力的20%，所以該設備需要作疲勞分析。

但該設備設計時因設計人員未得知循環應力工況，僅考慮了靜設備的設計要求，固在現場運行1.5 a后，出現了泄露的情況。現場反饋的破壞部位如圖2所示。

圖 1反沖罐結構Fig 1 Structure of back wash tank

圖 2反沖罐失效部位Fig 2 Failure parts of back wash tank

1.3 疲勞分析

目前已知該設備存在0～64.59 MPa的變化應力，故按照JB 4732中規定其主應力的交變應力強度幅度Salt=0.5Srij=32.295 MPa。根據JB 4732附錄C.2.2的要求將對應設計疲勞曲線圖中的Salt乘以圖中給定材料彈性模量和使用材料彈性模量之比，接著在曲線上以該值查詢對應的允許循環次數N。引用的疲勞曲線如圖3[2]。

圖 3疲勞曲線Fig 3 Fatigue curve

鈦材的彈性模量E1=102.04×103MPa，表中材料的彈性模量E=207×103MPa，

Salt×E/E1=65.5 MPa，查圖3得允許循環次數約為6 500次。按照該設備的壓力循環情況，即每小時3次變化，可得該設備允許的安全運行時間為3個月左右，遠低于實際要求的設計使用年限，故該設備原來按靜設備設計的情況無法滿足疲勞分析，為不合格。

1.4 按疲勞分析設計進行整改

按疲勞設計步驟進行反推，按允許使用年限為8年算，預計循環次數為210 240次[4]。查圖3可得允許循環變化應力幅度約為45 MPa。除以彈性模量比后可得允許的鈦材循環變化應力幅度約為22.18 MPa，由此可知最大工作壓力下，筒體的最大應力為44.3 MPa，由SW6計算程序反推得出筒壁至少取壁厚10 mm。

3 按疲勞設計時需考慮的其他問題

疲勞分析主要考慮的載荷方式是不斷變化的應力，疲勞破壞為主要的失效形式。所以設備設計時，除了考慮設備的強度破壞，在設備的結構、制造和檢驗方面有相應的特殊要求。

3.1 對容器結構的相關要求

承受交變載荷的壓力容器結構，其局部應力對能否承受疲勞載荷影響巨大。因此設計時需要避免容易出現應力集中的不連續結構。其措施總結為：1)筒體上的接管盡量正交，避免切向或斜向連接；2)焊接補強結構應全焊透；3)應力集中嚴重部位需設置大過渡倒圓；4)接管補強盡可能采用整體補強[5]。

3.2 設備制造和檢驗要求

設備的制造，檢驗應包含以下的要求：1)不連續的幾何結構盡量圓滑過渡；容器內部填角焊縫需打磨過渡圓角并作表面檢測；2)避免出現應力集中現象，打磨平焊縫余高；3)相應焊縫需要作100%的無損檢測；4)對低合金高強度鋼的特種容器作消氫熱處理；5)容器制作完畢后，需按標準作消除殘余應力熱處理；6)鋼板和開孔的邊緣需進行焊前著色檢測；7)組裝設備時不許用強力，嚴格的控制錯邊量；8)材料標記和焊工印記不用硬印[4]。

4 結束語

在應力分析后才能接著進行相關的疲勞分析。如果只作疲勞分析就會導致設計、檢測及制造等環節上有較高要求，而這樣設計成本就會大幅提高。交變載荷下的相應設備，在作疲勞分析前先按相關標準確定是否需要作疲勞分析，如果要做疲勞分析，應在進行應力分析時需要考慮在設計、制造和檢驗方法方面作一些特殊的要求。

本文分析的設備就是在設計階段忽略疲勞設計，故而出現了泄露的事故，在以后的設計中應充分考慮疲勞設計的情況。