缓冲器接管疲劳裂纹分析

刘驰 祖刚 史万义

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201720104

摘要：通过对缓沖器部件接管角焊缝疲劳裂纹分析，结合现场使用条件对缺陷的判定、缺陷机理、缺陷的特点和产生过程、缺陷的影响因素进行透彻分析，并对产生成因进行提出解决办法及后续设计注意事项，为类似设备设计及制作提出优化措施。

关键词：缓冲器；缺陷机理；措施

2015年6月在某化工有限公司压力容器定期检验中，发现一台缓冲器部件接管角焊缝出现多处裂纹，区域范围总长度约160mm。

一、设备基本情况

该设备由某气体压缩机厂设计，某金属结构厂1991年10月制造，1997年7月投入使用。主体结构形式为球形，容积007m3，内径520mm，高995mm，设计压力2.97MPa，设计温度100℃，材质为1Cr18Ni9Ti，介质为CO2，球体壁厚为10mm，实际使用18年。该设备紧邻压缩机，随压缩机周期性低频振动，故初步判断为因机械振动疲劳而产生的机械疲劳裂纹。后经内窥镜检查内表面，接管和球体连接处有磨损损伤，内表面粗糙，有沟槽深度1.3mm，焊接部位几何形状不连续。

二、疲劳裂纹的机理

设备或构件在振动载荷、或不稳定流体等动态载荷作用下，引起了交变载荷，由于载荷和环境侵蚀的联合作用，会产生微小的裂纹源，随着时间的延长而逐步扩展，裂纹的尺寸逐渐扩大，金属结构的剩余强度逐渐减少，最后导致贯穿性断裂。疲劳裂纹的萌生从宏观上而言，总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的金属基体。以及结构拐角、加工切削、焊缝、腐蚀坑等区域、从微观而言，可分为滑移带开裂、晶界开裂、非金属夹杂与基体界面开裂等三种。

三、疲劳裂纹的特点和产生过程

a.具有初始裂纹或结构缺陷的构件，即使这些初始裂纹或结构缺陷未达到失稳扩展的临界尺寸ac，但是在交变应力的作用下，也会逐渐扩展，导致开裂。b.对于没有宏观裂纹的构件，在交变应力的作用下，也可能萌生裂纹，最后逐渐扩展，导致开裂。因此，疲劳开裂的应力远比静载荷破坏应力低，而且疲劳破坏撕裂处一般都没有明显的塑性变形减薄，对工程结构的安全危害大，这是需要我们去努力识别和极力避免的。在各种机械部件断裂事故中统计表明，大约80%是由于疲劳失效引起的。

疲劳裂纹产生的过程复杂，受到很多因素的影响，大致分为四个阶段。

A.裂纹成核阶段：交变应力作用→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核

B.微观裂纹扩展阶段：一旦裂纹成核，就沿着滑移面扩展，这个面与主应力约成45°的剪切应力作用面，深入表面，形成非单一裂纹的裂纹集中区。

C.宏观裂纹扩展阶段：裂纹扩展方向基本上与主应力垂直，为单一裂纹，一般裂纹长度为0.01mm到裂纹临界尺寸ac之间，逐渐扩展为宏观裂纹。

D.瞬间断裂阶段：当裂纹扩展到裂纹临界尺寸ac时，产生失稳扩展而很快断裂。

在疲劳宏观断口上往往有两个明显区域，即光滑区域和颗粒状区域。

因为裂纹扩展过程中裂纹的表面在交变应力的作用下，时而压紧，时而分开，多次反复，这就形成了光滑区。断口的颗粒状区时最后突然断裂形成的。

四、疲劳裂纹扩展速率的机理和影响因素

塑性钝化模型：裂纹尖端在循环性交变应力的作用下出现尖锐化、钝化、再尖锐化的过程。在加载的应力时，尖端处的应力达到峰值，促使裂纹尖端处的金属原子滑移，空间扩展，尖端处承载面积变大，应力值下降，裂纹尖端钝化；在相反载荷（或卸载）的另一个应力循环周期，裂纹面被压在一起，部分金属折叠在一起。使裂纹尖端重新出现尖锐化，并不断向纵深扩展。这一过程中尖锐→钝化→再尖锐化不断重复出现，直到裂纹尺寸达到临界尺寸ac。描述疲劳扩展模型还有裂尖滑移模型、极限值模型、再成核模型和位错模型等。

裂纹扩展速率一般分为三个时期即a.第一阶段低速率裂纹扩展期。b.第二阶段中速率裂纹扩展期。c.第三阶段高速率裂纹扩展期等。

影响疲劳裂纹扩展速率的因素有a.平均应力。b.应力条件。c.加载频率。d.温度。e.介质环境。f.结构和几何形状。g.材质微观组织等。

五、承压设备损伤模式识别中（GB/T305792014）容易产生机械疲劳裂纹的装置和设备。

a.减压阀、流量调节阀附近的设备和管道。

b.辅助或连续备用的但间断工作的设备，如辅助锅炉。

c.水洗涤系统：温度周期性变化的设备，如急冷喷嘴。

d.离心泵和压缩机：转轴、出口和入口管道、缓冲器的接管和焊接接头；

e.其他可能引起的共振的设备和管道。

f.使用中每日循环的设备，如吸附器、焦炭塔等。

六、检验结论和措施

根据检验情况，依据压力容器定期检验规则的相关要求，安全状况等级评定为5级，该设备已无修理价值。相关措施是优化设计：采用加强支承和减振设施来消除或降低振动，在小径管安装支撑板和加强筋板等。

七、后续解决措施

设计院根据使用条件重新设计，对缓冲器管径增加一块支撑板和两块加强筋板，达到降低振动的目的。某制造厂按照设计图纸重新制作，经过制造监督检验，履行压力容器书面告知进行安装，使用一年后对缓冲器部件接管角焊缝进行100%PT检测，Ⅰ级合格，未发现裂纹。说明本设计优化措施有效。

本文理论联系现场使用条件分析缓冲器裂纹缺陷的成因，提出解决办法及设计优化措施，为压力容器设计与制作技术人员提供了一些参考，对类似容器的设计与制作有着借鉴意义。

参考文献：

[1]TSG212016固定式压力容器安全技术监察规程.新华出版社，2016.

[2]GB/T150.1～42011压力容器.中国标准出版社，2012.

[3]力容器设计知识.化学工业出版社，2005.