壓力容器的疲勞損傷與防護措施

李冰

摘 要： 合理、安全、高效地使用壓力容器，更好地為生產服務，最重要的工作是預防容器在運行過程中發生破裂。只有認識、了解破裂形式的特點、產生原因，才能有效預防壓力容器安全事故的發生。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、產生機理，結合實際案例闡明疲勞損傷的危害程度，并總結預防疲勞損傷的常見措施。

關鍵詞： 壓力容器 交變載荷 疲勞損傷 防護措施

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

疲勞損傷指的是容器在使用過程中頻繁地升壓、降壓，容器內壁長期經受交變載荷的作用，金屬材料產生疲勞，在外觀形態上未發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.由疲勞損傷導致的容器破裂，往往觀察不到明顯的塑性變形，直徑沒有明顯變大，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？在疲勞破裂發生的部位，通過仔細觀察，會發現存在疲勞裂紋。疲勞裂紋分布在容器局部應力集中位置，在容器使用中，在應力集中部位容易產生微小裂紋，這些微小裂紋在設備升壓泄壓交變作用下，逐漸發展并最終形成疲勞裂紋。在此過程中，壓力容器內的總體應力水平并不高，金屬材料仍處于彈性范圍內，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域：一個是裂紋聚集和擴展區，一個是最終斷裂區，這是疲勞損傷和脆性斷裂在斷口形態上的區別。很多壓力容器的應力變化周期較長，裂紋發展緩慢。有些紋路比較清晰的疲勞裂紋，可以依據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不同，起點的位置往往是應力集中的地方，通常出現在容器內壁接管角焊縫，焊接時容器內的劃傷等外形不連續的地方。

3.在容器應力集中部位，疲勞裂紋產生之后，設備開車停車、反復升壓泄壓，加劇裂紋的擴展。使用過程中的容器，工作壓力的波動是促成裂紋擴展的重要因素。

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致設備泄露失穩。疲勞損傷引起的破裂形態不像脆性破裂那樣產生金屬碎片，也不像韌性破裂時形成的撕裂。

二、疲勞損傷產生的機理

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

2高應力低周疲勞。金屬材料承受的應力值較高，應力值變化幅度較大，但其交變周次較少。當金屬材料在較高應力水平下，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，材料就容易發生斷裂。

河北某紙業有限公司的一臺造紙烘缸，容器內徑1300mm，長/高1200mm，18mm的筒體壁厚，兩側平板封頭厚度為25mm，出廠資料上注明的設計壓力0.5Mpa，最高工作壓力0.3Mpa。該設備投用一年后，發現筒體與封頭焊接處泄漏高溫蒸汽，此次泄露沒有引起設備管理部門的重視，為不影響生產，私自補焊后繼續使用。2003年3月烘缸發生爆炸，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，現場勘驗，斷口部位發生在補焊位置，斷口內側密布細小裂紋。

事故結果分析，由于設備的結構特點，平板封頭與筒體連接的角焊縫容易產生應力集中，運行時溫度達167°C，事發時容器壓力超過最高工作壓力達到0.5Mpa。高溫環境、交變應力加上超壓運行共同作用產生疲勞裂紋。在發生第一次泄漏事故時，廠方在容器外部補焊，不能從根本上解決問題，最終釀成嚴重事故。

三、疲勞損傷的成因

1.內因：壓力容器的內部結構存在應力集中區，主要分布在開孔、補強圈、內壁接管及幾何形狀突變的部位；焊縫及熱影響區附近和鋼板原有缺陷處也會有不同程度的應力集中。這種應力分布很不均勻，個別地方局部應力比計算應力大很多倍，甚至峰值應力會超過金屬材料的屈服極限。容器運行當中，隨著載荷周期性變化，微裂紋逐漸向疲勞裂紋擴展。

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，還有就是周圍環境對容器本體及管路系統產生的載荷，如雨、雪、風等。內、外載荷沒有固定周期，且具有不對稱的特點。

四、疲勞損傷的預防

1.壓力容器在制造監檢過程中，要嚴把質量關，從選材、焊接、裝配工藝等環節層層把好關，力求精益求精，防止或杜絕設備的先天缺陷。

2.使用單位在設備的安裝驗收中，配合好容器檢驗單位的監檢工作。設備的基礎支撐、地腳螺栓務必水平牢固。這樣可以防止容器運行中產生異常震動，有利于設備平穩運行。

3.對于大型塔式容器，由于高度原因，無法避免外部環境產生的載荷影響，在設計時應考慮疲勞失穩的因素，保證設備不至于發生疲勞損傷。

4.壓力容器使用過程中，要嚴格執行設備的操作規程，平穩操作，盡量較少升壓泄壓次數，防止壓力、溫度大幅波動。

參考文獻：

[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.