壓力容器的疲勞損傷與防護(hù)措施

李冰

摘 要： 合理、安全、高效地使用壓力容器，更好地為生產(chǎn)服務(wù)，最重要的工作是預(yù)防容器在運行過程中發(fā)生破裂。只有認(rèn)識、了解破裂形式的特點、產(chǎn)生原因，才能有效預(yù)防壓力容器安全事故的發(fā)生。本文著重介紹壓力容器的損傷模式之一——疲勞損傷，通過分析疲勞損傷的形貌特征、產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合實際案例闡明疲勞損傷的危害程度，并總結(jié)預(yù)防疲勞損傷的常見措施。

關(guān)鍵詞： 壓力容器 交變載荷 疲勞損傷 防護(hù)措施

壓力容器的破壞形式有很多種，如脆性、韌性破壞，介質(zhì)腐蝕破壞等。疲勞損傷有別于其他損傷模式，日常檢查不容易發(fā)現(xiàn)，并且引發(fā)的事故突然，因此具有極大的潛在危害性，設(shè)備管理者應(yīng)對其高度重視。

疲勞損傷指的是容器在使用過程中頻繁地升壓、降壓，容器內(nèi)壁長期經(jīng)受交變載荷的作用，金屬材料產(chǎn)生疲勞，在外觀形態(tài)上未發(fā)生明顯變形的情況下突然破裂的一種損傷模式。

一、疲勞損傷有別于其他損傷模式的特點

1.由疲勞損傷導(dǎo)致的容器破裂，往往觀察不到明顯的塑性變形，直徑?jīng)]有明顯變大，壁厚也沒有減薄。這和塑性變形、腐蝕破裂完全不同，是什么原因呢？在疲勞破裂發(fā)生的部位，通過仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)存在疲勞裂紋。疲勞裂紋分布在容器局部應(yīng)力集中位置，在容器使用中，在應(yīng)力集中部位容易產(chǎn)生微小裂紋，這些微小裂紋在設(shè)備升壓泄壓交變作用下，逐漸發(fā)展并最終形成疲勞裂紋。在此過程中，壓力容器內(nèi)的總體應(yīng)力水平并不高，金屬材料仍處于彈性范圍內(nèi)，所以疲勞損傷時容器外觀不會有肉眼可見的變形。

2.疲勞損傷斷口附近存在兩個明顯區(qū)域：一個是裂紋聚集和擴(kuò)展區(qū)，一個是最終斷裂區(qū)，這是疲勞損傷和脆性斷裂在斷口形態(tài)上的區(qū)別。很多壓力容器的應(yīng)力變化周期較長，裂紋發(fā)展緩慢。有些紋路比較清晰的疲勞裂紋，可以依據(jù)紋理的走向找到裂紋的起始點，裂紋的起始點和斷裂口其他地方的形態(tài)不同，起點的位置往往是應(yīng)力集中的地方，通常出現(xiàn)在容器內(nèi)壁接管角焊縫，焊接時容器內(nèi)的劃傷等外形不連續(xù)的地方。

3.在容器應(yīng)力集中部位，疲勞裂紋產(chǎn)生之后，設(shè)備開車停車、反復(fù)升壓泄壓，加劇裂紋的擴(kuò)展。使用過程中的容器，工作壓力的波動是促成裂紋擴(kuò)展的重要因素。

4.疲勞損傷在開停車、壓力波動等交變載荷的作用下，形成貫穿金屬的裂紋而最終導(dǎo)致設(shè)備泄露失穩(wěn)。疲勞損傷引起的破裂形態(tài)不像脆性破裂那樣產(chǎn)生金屬碎片，也不像韌性破裂時形成的撕裂。

二、疲勞損傷產(chǎn)生的機(jī)理

1低應(yīng)力高周疲勞。假設(shè)金屬材料承受的交變載荷循環(huán)周期達(dá)到103次/分以上時，與之對應(yīng)的應(yīng)力值在金屬材料彈性范圍內(nèi)，那么它可以承受無數(shù)次交變載荷作用而不會產(chǎn)生疲勞損傷。如果金屬材料所承受的交變載荷產(chǎn)生的應(yīng)力值超過彈性范圍區(qū)，就容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

2高應(yīng)力低周疲勞。金屬材料承受的應(yīng)力值較高，應(yīng)力值變化幅度較大，但其交變周次較少。當(dāng)金屬材料在較高應(yīng)力水平下，接近或者高于材料的屈服極限，交變周次超過102次/分～105次/分后，材料就容易發(fā)生斷裂。

河北某紙業(yè)有限公司的一臺造紙烘缸，容器內(nèi)徑1300mm，長/高1200mm，18mm的筒體壁厚，兩側(cè)平板封頭厚度為25mm，出廠資料上注明的設(shè)計壓力0.5Mpa，最高工作壓力0.3Mpa。該設(shè)備投用一年后，發(fā)現(xiàn)筒體與封頭焊接處泄漏高溫蒸汽，此次泄露沒有引起設(shè)備管理部門的重視，為不影響生產(chǎn)，私自補(bǔ)焊后繼續(xù)使用。2003年3月烘缸發(fā)生爆炸，筒體與平板封頭一端裂開，噴出的高溫蒸汽燙傷了一名操作工，現(xiàn)場勘驗，斷口部位發(fā)生在補(bǔ)焊位置，斷口內(nèi)側(cè)密布細(xì)小裂紋。

事故結(jié)果分析，由于設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，平板封頭與筒體連接的角焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，運行時溫度達(dá)167°C，事發(fā)時容器壓力超過最高工作壓力達(dá)到0.5Mpa。高溫環(huán)境、交變應(yīng)力加上超壓運行共同作用產(chǎn)生疲勞裂紋。在發(fā)生第一次泄漏事故時，廠方在容器外部補(bǔ)焊，不能從根本上解決問題，最終釀成嚴(yán)重事故。

三、疲勞損傷的成因

1.內(nèi)因：壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中區(qū)，主要分布在開孔、補(bǔ)強(qiáng)圈、內(nèi)壁接管及幾何形狀突變的部位；焊縫及熱影響區(qū)附近和鋼板原有缺陷處也會有不同程度的應(yīng)力集中。這種應(yīng)力分布很不均勻，個別地方局部應(yīng)力比計算應(yīng)力大很多倍，甚至峰值應(yīng)力會超過金屬材料的屈服極限。容器運行當(dāng)中，隨著載荷周期性變化，微裂紋逐漸向疲勞裂紋擴(kuò)展。

2.外因：外部因素主要指的是容器工作壓力、使用溫度的變化，還有就是周圍環(huán)境對容器本體及管路系統(tǒng)產(chǎn)生的載荷，如雨、雪、風(fēng)等。內(nèi)、外載荷沒有固定周期，且具有不對稱的特點。

四、疲勞損傷的預(yù)防

1.壓力容器在制造監(jiān)檢過程中，要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，從選材、焊接、裝配工藝等環(huán)節(jié)層層把好關(guān)，力求精益求精，防止或杜絕設(shè)備的先天缺陷。

2.使用單位在設(shè)備的安裝驗收中，配合好容器檢驗單位的監(jiān)檢工作。設(shè)備的基礎(chǔ)支撐、地腳螺栓務(wù)必水平牢固。這樣可以防止容器運行中產(chǎn)生異常震動，有利于設(shè)備平穩(wěn)運行。

3.對于大型塔式容器，由于高度原因，無法避免外部環(huán)境產(chǎn)生的載荷影響，在設(shè)計時應(yīng)考慮疲勞失穩(wěn)的因素，保證設(shè)備不至于發(fā)生疲勞損傷。

4.壓力容器使用過程中，要嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備的操作規(guī)程，平穩(wěn)操作，盡量較少升壓泄壓次數(shù)，防止壓力、溫度大幅波動。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝亞東.壓力容器使用管理與安全運行.北京：原子能出版社，1995.