压力容器疲劳寿命与裂纹研究分析

张开然 田路军

摘要：压力容器使用广泛，其生产加工形式主要由焊接组成，在其焊缝中难免会存在漏焊或未焊透现象，压力容器的大表面也会存在表面缺陷。在内部压力的作用下，这些微小缺陷很快形成初始表面裂纹，随之扩展，这些缺陷给压力容器带来致命隐患。因此，对容器表面裂纹扩展规律的研究，及剩余使用寿命的评估，具有重要的实际工程意义。

关键词：压力容器;裂纹;影响因素

在实际生产加工过程中，构件通常会在交变载荷的情况下工作，在此工作条件下若构件中存在裂纹则对结构十分不利，构件中的裂纹也会在此种情况下得到发展。据不完全统计，有60%以上的容器泄漏、断裂事故由裂纹引起。

1.裂纹的形式及分类

工程构件中存在多种缺陷，在冶炼、生产加工过程中都会带来这样那样的缺陷，如夹渣、刀痕、未焊透等，这些缺陷都会给构件带来安全隐患。在断裂力学中，把这些缺陷统称为“裂纹”，并对这些裂纹进行了分类。工程构件中的缺陷及裂纹均可以考虑为三维问题，为了利于工程实践，经过专家学者的实验研究将多种表面裂纹形式用椭圆形及半椭圆形来描述，具体又可分为埋藏裂纹、表面裂纹、角裂纹、孔壁表面裂纹、孔壁角裂纹。在压力容器结构，由于表面积大加工及运输的原因，容易产生表面裂纹。压力容器封头与圆筒形体的连接采用了焊接的形式，在焊接过程中容易产生埋藏裂纹及焊缝残余应力。按不同的方法可以将裂纹分为不同的形式，按其受力情况对裂纹的形式进行定义与分类，可以将其分为张开型、滑开型与撕开型。

2.应力疲劳条件下的裂纹扩展

众多学者在对裂纹裂纹扩展的研究中，试图通过某种方式搭建起材料力学参数与其裂纹扩展的桥梁。对裂纹裂纹扩展速率的表达学者们定义：Δa/ΔN（mm/次）来表示裂纹扩展速率，其中ΔN为循环次数，Δa为裂纹在ΔN次循环后的增长量，对裂纹扩展做微分处理，即裂纹扩展为da/dN，这称为“裂纹扩展速率”。

对于单轴循环应力下，与应力方向垂直的裂纹的扩展速率，可以表示为：

公式（2.1）中，N是应力循环次数，a是裂纹长度，σ是正应力，C是材料常数。

3.影响裂纹扩展的若干因素

应力疲劳条件下，裂纹扩展主要受应力强度因子幅度ΔK的影响，其相当于源动力。然而众多工程现象和实验表明，疲劳裂纹扩展时，对其产生影响的因素众多。

3.1平均应力的影响

疲劳裂纹扩展时，当应力强度因子幅值一定时，da/dN将会随应力比R变化，R升高裂纹扩展速率加快。由平均应力σm和应力幅σa经过理论推导，σm与Δσ和R之间存在如下联系

公式（2.3）表明，当Δσ为定值，即ΔK是定值时，σm会随R的增大而增大（0≤R

3.2过载峰的影响

构件本身不会简单的承受一种恒幅载荷形式，而是复杂的载荷谱叠加而成的变幅载荷。一些专家学者通过实验显示，在单一交变载荷作用下扩展速率稳定，此时施加一个尖峰载荷，其接下来的裂纹扩展速率将变低，有的乃至于降低到0，随后经过一段时间的交变载荷恢复，其裂纹扩展速率才回到相应的数值上去。运用Miner损伤理论对裂纹扩展进行探讨，发现理论中值往往不等于1而大于1，由上述分析得出结论是由于尖峰载荷的延缓作用。

3.3加载频率的影响

加载频率的影响与裂纹扩展所处的应力强度有直接的关系，一般情况下，在应力强度因子较低时，载荷频率的变化对其裂纹扩展的作用微小。然而当应力强度因子值ΔK较高时，特别是受到外界环境的多重影响，如高温、高压，此时会出现频率影响同蠕变影响共同作用，那么频率对裂纹扩展的影响就相当显著了，频率越低影响越大，裂纹扩展速率将明显升高。在实际工况中若材料受到应变疲劳时其加载频率均较低，所有我们实验所得的高频下裂纹扩展速率要经过修正后才能应用于工程实际问题。

3.4温度的影响

温度对裂纹扩展的影响受到材料的限制，在后文中提及在低温及中高温的环 境中，温度是通过改变材料固有参数来影响其裂纹扩展速率，而在高温情况下，温度对裂纹扩展的影响比较复杂，其中涉及到高温蠕变、高温氧化、金相改变等诸多因素。温度对裂纹扩展的影响是随着温度上升，裂纹扩展速率增大。相反隨着温度的下降扩展速率会降低。通过实验验证，铝合金板裂纹扩展受温度的影响，60°C扩展速率较20°C快了3倍多。学者对对304不锈钢的裂纹扩展速率进行了深入研究，材料在649°C时较24°C时裂纹扩展速率高了11倍。

3.5腐蚀环境的影响

腐蚀环境对裂纹扩展的作用不容忽视，如海洋作业平台、石油钻台、喷涂车间、潮湿环境等。特别腐蚀环境与频率影响的叠加，在腐蚀环境中频率越低其对寿命的影响越大，从而我们要选择好材料，降低材料对环境的敏感程度。

总结

综上所述，对于不同的疲劳形式采取不同的分析方法，在疲劳过程中充分考虑的外界载荷及环境对疲劳过程的影响，所采取的分析及估算方法直接影响到最终的寿命结果。在压力容器设计及寿命校核方面借助有限元方法可以提高运算速率及安全性。

参考文献

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