压力容器的疲劳损伤与其防护技术分析

王刚

摘 要 进入21世纪以来，在社会经济稳步发展的背景下，我国工业制造水平得到了较快的提升。值得注意的是，基于工业生产过程中，压力容器的应用非常广泛，但是压力容器在应用期间易遭遇循环载荷的影响，且在长时间影响下会发生持续集中应力，导致某区域出现疲劳裂纹的问题，进一步导致压力容器发生疲劳破坏的问题。因此，本课题在分析压力容器疲劳损伤的特点引发机制条件下，进一步提出相应的防护技术手段，以期降低并控制压力容器的疲劳损伤，提高压力容器的实际应用效果。

关键词 压力容器 疲劳损伤 防护技术

压力容器发生的疲劳损伤形式具备多样性的特点，包括了腐蚀损伤、任性损伤等，如果出现疲劳损伤，未能及时处理或采取有效的防护措施，则会导致压力容器的实际应用效果受到较大程度的影响。[1]鉴于此，本课题围绕“压力容器的疲劳损伤与其防护技术”进行分析探讨具备一定的价值意义。

一、压力容器疲劳损伤特点及形成机制分析

（一）特点分析

对于压力容器发生的疲劳损伤来说，实际上是不容易被发现的，但是从压力容器出现的整体损伤来看，其所占比重颇高，有相关数据调查显示压力容器疲劳损伤所占比重高达29.1%。[2]总结起来，压力容器疲劳损伤的具体特点包括：第一，塑性变形较难观察到，同时压力容器在壁厚与直径上均无显著的改变;基于显微镜观察条件下，能够发现疲劳失效的部分存在疲劳裂纹的问题，并且裂纹通常分布在应力比较集中的部位，基于不断升降压力变化的情况下，会导致压力容器的破坏程度增加;第二，在出现疲劳损伤的情况下，在压力容器的断口有两个区域比较突出，其一为裂纹聚集区域，其二为断裂区;第三，基于压力容器应力集中部位，基于疲劳损伤发生后，高低压循环往复，裂纹的扩张会增加，主要原因是因为压力发生了变化;第四，压力容器在发生疲劳损伤之后，在交变荷载的影响下，产生的裂纹会贯穿金属，使设备泄露进一步失稳失效。

（二）形成机制分析

压力容器疲劳损伤形成机制可分为两大类：其一为高应力低周疲劳;其二为低应力高疲劳。两种形成机制的具体内容为：第一，高应力低周疲劳。在金属材料受到比较高的应力作用下，同时在应力变化范围偏高的情况下，会导致比较少的交变次数，进一步致使金属材料发生失效的问题。同时，若金属材料受到比较高的应力作用，其应力与金属材料的屈服极限接近，或高于其屈服极限，会导致交变次数大大增加，从而产生形变的问题，此类疲劳称之为塑性疲劳。第二，低应力高周疲劳。基于金属材料受到交变在和循环周期没分超过1000次的情况下，同时材料城市的应力处于其弹性范围当中，此时金属材料能够承受无限多次交变载荷，能够避免出现疲劳损伤;但是如果不在弹性范围当中，便会形成疲劳裂纹。

此外，值得注意的是，在相关失效案例显示，高应力低周疲劳的发生率明显要比低应力高周疲劳高，对此结果需引起充分的重视。

二、压力容器疲劳损伤相关防护技术剖析

为了降低或控制压力容器疲劳损伤的发生，需采取有效的防护技术，结合压力容器的实际应用情况，其防护技术需从疲劳设计与具体防护技术方案两大方面考虑，具体为：

（一）合理科学进行压力容器的疲劳设计

基于压力容器疲劳设计期间，首要工作是认真设计压力容器，对其主体结构及所需材料加以明确，进一步完成有限元分析，然后对其应力集中点加以明确，并根据材料的疲劳特性，以疲劳载荷荷谱为参考依据，预测压力容器的整体疲劳寿命。完成上述工作之后，需任曦及确认预测结果，结合具体工程的情况，合理修改设计。值得注意的是，基于设计前，需将疲劳曲线图作为参考，获取断裂发生情况下循环周次和金属承受交变应力之间存在的相关性信息。不同的材料对交变应力的抵御能力也存在差异，需明确其循环次数及破坏临界应力。基于初始设计情况下，需注意疲劳破坏是应变偏大还是应力偏高的部位开始的。

对于压力容器的疲劳设计，通常会三种方式：其一，基于试验的疲劳设计;其二，基于断裂力学的疲劳设计;其三，基于疲劳曲线的疲劳设计。其中，基于试验的疲劳设计存在成本较高的缺陷，基于断裂力学的疲劳设计在结构设计需进行相对应的处理，会出现和实际工程轻存在差异的问题。

（二）做好压力容器疲劳损伤的全过程防护

为了做好压力容器疲劳损伤的全过程防护，一方面，基于压力容器制造及检验期间，需严把质量关，加强选材、焊接以及装配等过程的质量监控。另一方面，单位在设备验收过程中，需加强与检验单位的配合，做好监督检验工作;需确保压力容器中诸如脚螺栓等固定零部件的牢固，并确保压力容器应用平稳，避免发生异常震动的问题。此外，严格按照压力设备的相关操作规范要求进行压力容器的使用，确保设备安全、稳定运行，降低压力频繁波动情况的发生，避免出现压力和温度发生大幅波动等问题，使设备处于正常、安全、可靠的运行状态。

三、结语

压力容器的疲劳损伤在未能得到有效防护的情况下，会导致设备运行失效。因此，需做好压力容器疲劳损伤的相关防护工作。一方面，合理科学进行压力容器疲劳设计;另一方面，做好压力容器疲劳损伤的全过程防护。相信从以上方面加以完善，压力容器疲劳损伤将能够得到有效防护，进一步确保压力容器处于安全可靠的运行状况当中。

（作者单位为沈阳特种设备检测研究院）

参考文献

[1] 高勇，淡勇，李红亚，李凯莉，陈慧.接管形式及接管尺寸對压力容器疲劳寿命的影响[J].甘肃科学学报，2018，30（06）：78-81.

[2] 王陈炜.压力容器的疲劳损伤与其防护技术[J].化学工程与装备，2018（11）：261-262.