承壓類特種設備疲勞失效與防治

范楠子

大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司 遼寧大連 116013

承壓類特種設備主要用于儲運天然氣、燃料或原料，是國民經濟發展重要的基礎裝備和生活基礎設施，廣泛應用于工業、交通、能源、居民生活等領域，在為人民的生活提供方便的同時，也由于其制造、使用、管理等方面的不足發生破壞性極大的傷亡事故。承壓類特種設備作為社會生產和生活中不能缺少的基礎性設施，涉及生命安全，具有較大危險性，受到非常嚴格的監督管理，所以承壓類特種設備在運行過程中如何保持良好的穩定性是研究的問題[1]。

1 承壓類特種設備的失效形式

承壓類特種設備失效形式主要分別是剛度失效、泄漏失效、失穩失效以及強度失效，其中最常見的一種失效形式是強度失效，因為工作環境比較特殊，所以帶來的后果也會是災難性的，變形、表面出現損傷以及材料性能老化等是承壓類特種設備最常見的失效形式，設計和制造方面的缺陷、不正確的安裝過程、運行操作失誤以及外力造成的損傷是其失效的主要原因。對于壓力容器來說，最常見也是影響最大的損壞失效方式是出現裂紋并且不斷擴展，最終形成斷裂破壞，例如氫損傷、疲勞斷裂等都是比較常見的。疲勞斷裂、腐蝕斷裂、韌性斷裂、脆性斷裂以及蠕變斷裂是最常見的幾種強度失效，通過金相檢驗可以獲得比較直觀的判定依據。在制造承壓類特種設備的時候，金相檢驗不僅能判定材料的質量是否達標、熱處理工藝是否科學，還可以對材料的顯微組織狀態進行檢查，確定與設計要求是否滿足。如果材料出現了開裂的情況，金相檢驗的結果是幫助分析開裂原因的有效手段。對承壓類特種設備進行定期檢驗的時候，金相檢驗也能發揮良好的效果，在無損前提下判斷材料是否有劣化情況。當有劣化發生的時候，可以現場對其焊縫位置以及材質進行金相復膜，結合其他手段得知材料失效的原因，并且將具體的失效程度顯示出來，檢驗人員就可以為依據進行相應地處理，從宏觀檢驗發展成為了微觀檢驗，對于檢驗水平的提高助益良多[2]。

2 承壓類特種設備疲勞的原因

2.1 疲勞裂紋的斷裂

當疲勞裂紋逐漸發展以后，設備器壁的斷面就會大幅度降低，裂紋間斷位置上的應力的集中程度就會在裂紋逐漸發展過程中明顯上升。在裂紋發展到臨界位置時，承壓類特種設備就會突然出現失穩斷裂問題。而設備制造所使用原材料的韌性越好，最后疲勞斷裂的程度越大，而韌性較差的原材料，其疲勞斷裂的程度反而越小。

2.2 設備疲勞所帶來的破壞

疲勞破壞能夠分成幾種。一是低周疲勞，是指應力較大且其所擁有的交變頻率卻偏低的疲勞情況。承壓類特種設備的疲勞破壞很多都屬于低周疲勞范圍之內。低碳鋼與高合金鋼相比較，低周疲勞抗力要高，基于此，為了有效杜絕承壓類特種設備發生低周疲勞破壞，在設備制造過程中就首先采取高塑性低碳鋼材料。二是應力集中，從承壓類特種設備的結構來看，應力通常都集中在幾何不連接位置、焊縫位置、材料缺陷位置等，這些位置上的應力在一般情況下都是高出設計應力幾倍，甚至超出了設備制造材料自身的最大承載限度。三是荷載反復作用，這種荷載作用主要是設備在使用過程中，因為溫度、壓力、振動等因素的變化導致。

3 承壓類特種設備疲勞問題的防治措施

3.1 合理規劃承壓類特種設備結構

承壓類特種設備在制造過程中，應該對其結構進行合理規劃，可以有效增加設備自身的抗疲勞能力，降低應力的集中效應。完善承壓類特種設備所包含的布置與固定措施，在那些容易出現振動情況的大型設備周圍，布置相關的緩沖裝置，可以有效吸收振動波，降低振動對承壓類特種設備疲勞所造成的影響，同時還要重視設備在溫度荷載作用下所出現的伸縮變形問題，并制定科學有效的補償方式，保證設備結構的合理性與完整性[3]。

3.2 嚴格控制產品質量

承壓類特種設備在安裝過程中，應該嚴格控制材料質量，避免冶金和軋制質量較差、均勻度低和有一定缺陷的材料，在承壓類特種設備安裝完成以后會造成疲勞裂紋出現的主要原因。在實際施工過程中，安裝單位要盡可能保證設備表面的完整度、光潔度，杜絕設備表面出現焊疤、碰撞與腐蝕等損傷問題，最大程度上確保設備填角焊位置的過渡圓角、半徑與表面光滑程度，不斷加強設備縫隙焊接質量，在承壓類特種設備安裝以前開展相關無損檢測工作，以此來控制產品質量。

3.3 定期開展檢驗檢測工作

承壓類特種設備的疲勞失效基本都是因為反復交變荷載、應力集中過高導致，所以為了有效防治這些問題的出現和發生，就要在設備使用過程中盡可能杜絕頻繁加壓和卸壓操作，還要關注壓力波動及較大溫度變化等諸多因素。同時，在防治承壓類特種設備出現疲勞問題時，為了解決應力集中現象，就要讓設備器壁某個位置上所擁有的局部應力低于設備制造材料的屈服強度。另外，若是設備上不可避免的發生了局部位置應力過高的情況，相關單位就可以針對設備開展疲勞分析與設計工作，檢驗檢測設備表面上的應力分布情況，選擇科學有效的措施予以解決[4]。

4 結語

隨著我國工業化進程的不斷推進，承壓類特種設備就獲得了較大的發展和應用空間。然而，承壓類特種設備在實際運行過程中，經常會出現疲勞問題，這些問題會對設備質量及安全性造成嚴重影響，甚至威脅人們的生命安全。因此，做好承壓類特種設備的安全管理工作，針對其存在的疲勞失效問題，制定科學有效的防治措施，用來保證設備的運行安全，有著至關重要的現實意義。