钢制压力容器低周疲劳失效成因分析

贾 泉

(张家口大唐机械制造有限公司，河北张家口 075000)

随着现代工业的发展，钢制压力容器承受交变载荷的情况逐渐增多，压力容器设计规则的变动使设计压力提高、安全系数下降，这些因素造成了压力容器的疲劳失效事故显著增多。钢制压力容器制造中高强度钢的较多应用和日益复杂的工作条件也是压力容器疲劳失效的重要原因。为了保证钢制压力容器在使用年限内不致出现疲劳失效现象，JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》中规定了以疲劳分析为基础的设计方法。

一、低周疲劳

人们一般把疲劳破坏和交变载荷的高循环相联系，认为只有高速回转机件等在使用寿命期间交变载荷次数循环达到千万百万的构件才会出现疲劳破坏现象，如制造合格的矿车心轴在长期安全使用后在轴肩处会突然断裂，而使用期间交变载荷次数循环最多万次左右的钢制压力容器不存在疲劳破坏问题。可是在某些设计、制造合格的压力容器出现与疲劳破坏有关的事故后，钢制压力容器的疲劳破坏问题才引起人们的重视。存在高循环疲劳破坏问题的构件使用寿命期间所受的交变应力次数一般在107以上，其应力水平远低于材料的屈服强度，虽然在局部地区存在应力集中，但其最大应力处也处于弹性状态。高速回转机件所用材料含碳量、强度级别高，通常采用切削加工，对表面粗糙度有较高的要求。而压力容器使用寿命期间所受交变应力的次数在102到105之间，其应力水平则远高于存在高循环疲劳破坏问题的构件，一些应力集中区域在设计状态的应力水平就超过了材料的屈服强度进入塑性状态。压力容器所用材料含碳量、强度级别一般较低，延塑性较好，由于一般采用冲压、卷滚成形和焊接加工，对表面粗糙度难以提出较高要求。以上差别造成压力容器的疲劳问题属于高应力、低循环疲劳，称为低周疲劳。如果将压力容器材料强度按高循环构件疲劳强度设计而得到无限寿命则会使设计变得很保守，既不合理也无必要。

材料承受循环载荷时，根据所受应力变化幅S和直到疲劳断裂时的循环次数N双对数整理作图得到材料的疲劳曲线(如图所示)。因压力容器的应力变化幅超过了材料的屈服极限，这时疲劳曲线不再保持线性，N值很低时S值很少有变化，因而S值作纵坐标时疲劳曲线变得很难描述实际寿命的变化关系。为了更易于观察S-N的关系，压力容器低循环疲劳曲线中使用了虚拟应力幅的概念：

它是以材料弹性模量E乘以应变量εt除以2得到的应力变化幅。

图 典型的疲劳曲线

这种情况下疲劳曲线纵坐标虚拟应力幅并不是真实的应力幅，应变量εt的大小才是衡量交变应力大小的根据。

二、疲劳破坏成因

压力容器的疲劳破坏是容器在受到一定循环次数的交变应力后产生细微裂纹，裂纹逐渐扩展至穿透构件甚至构件全部断裂。造成压力容器疲劳的交变应力由下述各种因素引起：

(1)工作条件下的交变载荷；

(2)正常温度变化导致的收缩或膨胀受到限制；

(3)周期性的温度变化；

(4)压力的波动；

(5)振动力。

压力容器的疲劳裂纹一般发生在封头和筒体连接的边缘区、容器的开孔接管处、支座与筒体连接区、焊缝处等因载荷、结构或材料性能的不连续或其它原因而引起的应力集中区域，其中以峰值应力对疲劳裂纹形成影响最为显著。所谓峰值应力即在局部结构的不连续处总应力去除一次应力和二次应力后的剩余应力，例如在接管与壳体连接处应力集中区的最大应力中，去除掉沿壳体壁厚成线性分布和均匀分布这两部分数值后，剩余下的应力数值即为峰值应力。压力容器的设计许用应力远远低于所用材料的屈服强度，但在局部应力集中区域，正常工作条件下的峰值应力就已超过了材料的屈服强度。在静载荷的工作条件下，构件由塑性变形而增加的载荷可以被同一截面未屈服的部分承担，造成屈服区域不断扩大，应力分布逐渐趋向于均匀化。如果压力容器处在交变载荷的工作条件下，塑性变形则对容器疲劳强度的影响很大。在正常工作条件下压力容器的总体区域不会产生塑性变形，但容器材料在交变应力作用下会因塑性变形引起交替的塑性流动，这是裂纹形成的能量源。金属材料受到交变应力作用而造成的疲劳失效可以看作是能量的积累、转换过程：当交变应力大于一定值时，每一次应力循环都会使金属材料在塑性流动过程中吸收一定量的变形能，随着交变应力循环次数的增加，当循环次数达到一定值时，材料所累积的变形能就会在最大应力处突然迸发而出现细微裂纹并最终造成容器的泄漏或断裂。在压力容器的其它区域，虽不存在各种形式的不连续结构和载荷，但由于焊接加工或钢板材质等各种原因可能会存在原始缺陷、焊接缺陷和残余应力，这些缺陷也相当于应力集中源，缺陷尖端处的应力在正常工作条件下也会超过材料的屈服强度而引起塑性变形，这些区域如果受到交变应力则容易形成疲劳裂纹。

压力容器承受的交变载荷从应力方面分析一般是脉动循环，但在容器结构上由各种因素造成几何形状、材料性能突变而引起的应力集中区域内，最高应力的性质可能处于对称循环状态，造成该处的实际应力幅值升高。例如：连接元件的厚度如果相差很大，因应力差、刚度差造成局部的应力并不是与交变载荷对应的脉动性质，而可能已经变成对称循环，使实际应力幅值变得很大。筒体和锥壳的连接采用一定长度范围内的均匀、分散加厚结构和开孔接管处采用全焊透结构补强都是避免连接元件在一定范围内厚度尺寸相差过大。

表面粗糙度对高循环范围内的疲劳强度影响显著，这主要是因为材料表面加工粗糙会形成应力集中源，提高了材料表面的应力而减低了材料的疲劳寿命；但表面粗糙度对低循环范围内的疲劳强度影响不如高循环，因引起低循环疲劳的应力已经高出材料的屈服强度，造成由表面粗糙度形成的应力集中使材料进入塑性状态，又因一般采用中低强度的压力容器材料延性较好，所以材料表面因屈服而使应力重新分布趋于均匀化，减少了表面粗糙度对疲劳寿命的影响。压力容器不要求表面抛光、磨光，但材料表面粗糙度终究会形成微小的应力集中，所以制造过程中要尽可能地减少人为引起的表面缺陷。环境介质对疲劳裂纹形成也会有一定的影响，因介质对容器的不均匀腐蚀会引起容器材料表面凹坑，形成应力集中源而可能出现疲劳裂纹。压力容器制造时虽进行无损探伤检测，但仍旧无法避免残留少数目前探伤技术难以检测出的缺陷和微小裂纹，它们在交变应力作用下会造成疲劳破坏。

结 论

根据上述分析，承受交变载荷的压力容器上应避免产生过大的局部应力峰值。在结构的设计上要避免使用相邻元件厚度差过大的结构、非整体连接件、管螺纹连接件和部分熔透的焊接接头形式；在容器的制造中要求在接管端部打磨圆角、焊缝余高打磨平滑、开孔边缘焊前着色检测、严格控制错边量、不允许用硬印作材料和焊工标记、焊接接头进行100%无损检测、组装后进行消除残余应力热处理等。

参考文献：

[1]JB 4732-1995 钢制压力容器——分析设计标准[S].1995.

[2]钢制压力容器——分析设计标准 标准释义[M].1995.

[3]单辉祖.材料力学教程(第二版)[M].国防工业出版社,1997.

[4]邓增杰，周敬恩.工程材料的断裂与疲劳[M].北京：机械工业出版社，1995.