壓力容器的疲勞損傷與其防護(hù)技術(shù)分析

王剛

摘 要 進(jìn)入21世紀(jì)以來，在社會經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展的背景下，我國工業(yè)制造水平得到了較快的提升。值得注意的是，基于工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力容器的應(yīng)用非常廣泛，但是壓力容器在應(yīng)用期間易遭遇循環(huán)載荷的影響，且在長時間影響下會發(fā)生持續(xù)集中應(yīng)力，導(dǎo)致某區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋的問題，進(jìn)一步導(dǎo)致壓力容器發(fā)生疲勞破壞的問題。因此，本課題在分析壓力容器疲勞損傷的特點引發(fā)機制條件下，進(jìn)一步提出相應(yīng)的防護(hù)技術(shù)手段，以期降低并控制壓力容器的疲勞損傷，提高壓力容器的實際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞 壓力容器 疲勞損傷 防護(hù)技術(shù)

壓力容器發(fā)生的疲勞損傷形式具備多樣性的特點，包括了腐蝕損傷、任性損傷等，如果出現(xiàn)疲勞損傷，未能及時處理或采取有效的防護(hù)措施，則會導(dǎo)致壓力容器的實際應(yīng)用效果受到較大程度的影響。[1]鑒于此，本課題圍繞“壓力容器的疲勞損傷與其防護(hù)技術(shù)”進(jìn)行分析探討具備一定的價值意義。

一、壓力容器疲勞損傷特點及形成機制分析

（一）特點分析

對于壓力容器發(fā)生的疲勞損傷來說，實際上是不容易被發(fā)現(xiàn)的，但是從壓力容器出現(xiàn)的整體損傷來看，其所占比重頗高，有相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示壓力容器疲勞損傷所占比重高達(dá)29.1%。[2]總結(jié)起來，壓力容器疲勞損傷的具體特點包括：第一，塑性變形較難觀察到，同時壓力容器在壁厚與直徑上均無顯著的改變;基于顯微鏡觀察條件下，能夠發(fā)現(xiàn)疲勞失效的部分存在疲勞裂紋的問題，并且裂紋通常分布在應(yīng)力比較集中的部位，基于不斷升降壓力變化的情況下，會導(dǎo)致壓力容器的破壞程度增加;第二，在出現(xiàn)疲勞損傷的情況下，在壓力容器的斷口有兩個區(qū)域比較突出，其一為裂紋聚集區(qū)域，其二為斷裂區(qū);第三，基于壓力容器應(yīng)力集中部位，基于疲勞損傷發(fā)生后，高低壓循環(huán)往復(fù)，裂紋的擴張會增加，主要原因是因為壓力發(fā)生了變化;第四，壓力容器在發(fā)生疲勞損傷之后，在交變荷載的影響下，產(chǎn)生的裂紋會貫穿金屬，使設(shè)備泄露進(jìn)一步失穩(wěn)失效。

（二）形成機制分析

壓力容器疲勞損傷形成機制可分為兩大類：其一為高應(yīng)力低周疲勞;其二為低應(yīng)力高疲勞。兩種形成機制的具體內(nèi)容為：第一，高應(yīng)力低周疲勞。在金屬材料受到比較高的應(yīng)力作用下，同時在應(yīng)力變化范圍偏高的情況下，會導(dǎo)致比較少的交變次數(shù)，進(jìn)一步致使金屬材料發(fā)生失效的問題。同時，若金屬材料受到比較高的應(yīng)力作用，其應(yīng)力與金屬材料的屈服極限接近，或高于其屈服極限，會導(dǎo)致交變次數(shù)大大增加，從而產(chǎn)生形變的問題，此類疲勞稱之為塑性疲勞。第二，低應(yīng)力高周疲勞。基于金屬材料受到交變在和循環(huán)周期沒分超過1000次的情況下，同時材料城市的應(yīng)力處于其彈性范圍當(dāng)中，此時金屬材料能夠承受無限多次交變載荷，能夠避免出現(xiàn)疲勞損傷;但是如果不在彈性范圍當(dāng)中，便會形成疲勞裂紋。

此外，值得注意的是，在相關(guān)失效案例顯示，高應(yīng)力低周疲勞的發(fā)生率明顯要比低應(yīng)力高周疲勞高，對此結(jié)果需引起充分的重視。

二、壓力容器疲勞損傷相關(guān)防護(hù)技術(shù)剖析

為了降低或控制壓力容器疲勞損傷的發(fā)生，需采取有效的防護(hù)技術(shù)，結(jié)合壓力容器的實際應(yīng)用情況，其防護(hù)技術(shù)需從疲勞設(shè)計與具體防護(hù)技術(shù)方案兩大方面考慮，具體為：

（一）合理科學(xué)進(jìn)行壓力容器的疲勞設(shè)計

基于壓力容器疲勞設(shè)計期間，首要工作是認(rèn)真設(shè)計壓力容器，對其主體結(jié)構(gòu)及所需材料加以明確，進(jìn)一步完成有限元分析，然后對其應(yīng)力集中點加以明確，并根據(jù)材料的疲勞特性，以疲勞載荷荷譜為參考依據(jù)，預(yù)測壓力容器的整體疲勞壽命。完成上述工作之后，需任曦及確認(rèn)預(yù)測結(jié)果，結(jié)合具體工程的情況，合理修改設(shè)計。值得注意的是，基于設(shè)計前，需將疲勞曲線圖作為參考，獲取斷裂發(fā)生情況下循環(huán)周次和金屬承受交變應(yīng)力之間存在的相關(guān)性信息。不同的材料對交變應(yīng)力的抵御能力也存在差異，需明確其循環(huán)次數(shù)及破壞臨界應(yīng)力。基于初始設(shè)計情況下，需注意疲勞破壞是應(yīng)變偏大還是應(yīng)力偏高的部位開始的。

對于壓力容器的疲勞設(shè)計，通常會三種方式：其一，基于試驗的疲勞設(shè)計;其二，基于斷裂力學(xué)的疲勞設(shè)計;其三，基于疲勞曲線的疲勞設(shè)計。其中，基于試驗的疲勞設(shè)計存在成本較高的缺陷，基于斷裂力學(xué)的疲勞設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計需進(jìn)行相對應(yīng)的處理，會出現(xiàn)和實際工程輕存在差異的問題。

（二）做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護(hù)

為了做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護(hù)，一方面，基于壓力容器制造及檢驗期間，需嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，加強選材、焊接以及裝配等過程的質(zhì)量監(jiān)控。另一方面，單位在設(shè)備驗收過程中，需加強與檢驗單位的配合，做好監(jiān)督檢驗工作;需確保壓力容器中諸如腳螺栓等固定零部件的牢固，并確保壓力容器應(yīng)用平穩(wěn)，避免發(fā)生異常震動的問題。此外，嚴(yán)格按照壓力設(shè)備的相關(guān)操作規(guī)范要求進(jìn)行壓力容器的使用，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運行，降低壓力頻繁波動情況的發(fā)生，避免出現(xiàn)壓力和溫度發(fā)生大幅波動等問題，使設(shè)備處于正常、安全、可靠的運行狀態(tài)。

三、結(jié)語

壓力容器的疲勞損傷在未能得到有效防護(hù)的情況下，會導(dǎo)致設(shè)備運行失效。因此，需做好壓力容器疲勞損傷的相關(guān)防護(hù)工作。一方面，合理科學(xué)進(jìn)行壓力容器疲勞設(shè)計;另一方面，做好壓力容器疲勞損傷的全過程防護(hù)。相信從以上方面加以完善，壓力容器疲勞損傷將能夠得到有效防護(hù)，進(jìn)一步確保壓力容器處于安全可靠的運行狀況當(dāng)中。

（作者單位為沈陽特種設(shè)備檢測研究院）

參考文獻(xiàn)

[1] 高勇，淡勇，李紅亞，李凱莉，陳慧.接管形式及接管尺寸對壓力容器疲勞壽命的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2018，30（06）：78-81.

[2] 王陳煒.壓力容器的疲勞損傷與其防護(hù)技術(shù)[J].化學(xué)工程與裝備，2018（11）：261-262.