压力容器的疲劳损伤与防护措施

李冰

摘 要： 合理、安全、高效地使用压力容器，更好地为生产服务，最重要的工作是预防容器在运行过程中发生破裂。只有认识、了解破裂形式的特点、产生原因，才能有效预防压力容器安全事故的发生。本文着重介绍压力容器的损伤模式之一——疲劳损伤，通过分析疲劳损伤的形貌特征、产生机理，结合实际案例阐明疲劳损伤的危害程度，并总结预防疲劳损伤的常见措施。

关键词： 压力容器 交变载荷 疲劳损伤 防护措施

压力容器的破坏形式有很多种，如脆性、韧性破坏，介质腐蚀破坏等。疲劳损伤有别于其他损伤模式，日常检查不容易发现，并且引发的事故突然，因此具有极大的潜在危害性，设备管理者应对其高度重视。

疲劳损伤指的是容器在使用过程中频繁地升压、降压，容器内壁长期经受交变载荷的作用，金属材料产生疲劳，在外观形态上未发生明显变形的情况下突然破裂的一种损伤模式。

一、疲劳损伤有别于其他损伤模式的特点

1.由疲劳损伤导致的容器破裂，往往观察不到明显的塑性变形，直径没有明显变大，壁厚也没有减薄。这和塑性变形、腐蚀破裂完全不同，是什么原因呢？在疲劳破裂发生的部位，通过仔细观察，会发现存在疲劳裂纹。疲劳裂纹分布在容器局部应力集中位置，在容器使用中，在应力集中部位容易产生微小裂纹，这些微小裂纹在设备升压泄压交变作用下，逐渐发展并最终形成疲劳裂纹。在此过程中，压力容器内的总体应力水平并不高，金属材料仍处于弹性范围内，所以疲劳损伤时容器外观不会有肉眼可见的变形。

2.疲劳损伤断口附近存在两个明显区域：一个是裂纹聚集和扩展区，一个是最终断裂区，这是疲劳损伤和脆性断裂在断口形态上的区别。很多压力容器的应力变化周期较长，裂纹发展缓慢。有些纹路比较清晰的疲劳裂纹，可以依据纹理的走向找到裂纹的起始点，裂纹的起始点和断裂口其他地方的形态不同，起点的位置往往是应力集中的地方，通常出现在容器内壁接管角焊缝，焊接时容器内的划伤等外形不连续的地方。

3.在容器应力集中部位，疲劳裂纹产生之后，设备开车停车、反复升压泄压，加剧裂纹的扩展。使用过程中的容器，工作压力的波动是促成裂纹扩展的重要因素。

4.疲劳损伤在开停车、压力波动等交变载荷的作用下，形成贯穿金属的裂纹而最终导致设备泄露失稳。疲劳损伤引起的破裂形态不像脆性破裂那样产生金属碎片，也不像韧性破裂时形成的撕裂。

二、疲劳损伤产生的机理

1低应力高周疲劳。假设金属材料承受的交变载荷循环周期达到103次/分以上时，与之对应的应力值在金属材料弹性范围内，那么它可以承受无数次交变载荷作用而不会产生疲劳损伤。如果金属材料所承受的交变载荷产生的应力值超过弹性范围区，就容易产生疲劳裂纹。

2高应力低周疲劳。金属材料承受的应力值较高，应力值变化幅度较大，但其交变周次较少。当金属材料在较高应力水平下，接近或者高于材料的屈服极限，交变周次超过102次/分～105次/分后，材料就容易发生断裂。

河北某纸业有限公司的一台造纸烘缸，容器内径1300mm，长/高1200mm，18mm的筒体壁厚，两侧平板封头厚度为25mm，出厂资料上注明的设计压力0.5Mpa，最高工作压力0.3Mpa。该设备投用一年后，发现筒体与封头焊接处泄漏高温蒸汽，此次泄露没有引起设备管理部门的重视，为不影响生产，私自补焊后继续使用。2003年3月烘缸发生爆炸，筒体与平板封头一端裂开，喷出的高温蒸汽烫伤了一名操作工，现场勘验，断口部位发生在补焊位置，断口内侧密布细小裂纹。

事故结果分析，由于设备的结构特点，平板封头与筒体连接的角焊缝容易产生应力集中，运行时温度达167°C，事发时容器压力超过最高工作压力达到0.5Mpa。高温环境、交变应力加上超压运行共同作用产生疲劳裂纹。在发生第一次泄漏事故时，厂方在容器外部补焊，不能从根本上解决问题，最终酿成严重事故。

三、疲劳损伤的成因

1.内因：压力容器的内部结构存在应力集中区，主要分布在开孔、补强圈、内壁接管及几何形状突变的部位；焊缝及热影响区附近和钢板原有缺陷处也会有不同程度的应力集中。这种应力分布很不均匀，个别地方局部应力比计算应力大很多倍，甚至峰值应力会超过金属材料的屈服极限。容器运行当中，随着载荷周期性变化，微裂纹逐渐向疲劳裂纹扩展。

2.外因：外部因素主要指的是容器工作压力、使用温度的变化，还有就是周围环境对容器本体及管路系统产生的载荷，如雨、雪、风等。内、外载荷没有固定周期，且具有不对称的特点。

四、疲劳损伤的预防

1.压力容器在制造监检过程中，要严把质量关，从选材、焊接、装配工艺等环节层层把好关，力求精益求精，防止或杜绝设备的先天缺陷。

2.使用单位在设备的安装验收中，配合好容器检验单位的监检工作。设备的基础支撑、地脚螺栓务必水平牢固。这样可以防止容器运行中产生异常震动，有利于设备平稳运行。

3.对于大型塔式容器，由于高度原因，无法避免外部环境产生的载荷影响，在设计时应考虑疲劳失稳的因素，保证设备不至于发生疲劳损伤。

4.压力容器使用过程中，要严格执行设备的操作规程，平稳操作，尽量较少升压泄压次数，防止压力、温度大幅波动。

参考文献：

[1]谢亚东.压力容器使用管理与安全运行.北京：原子能出版社，1995.