殘余應(yīng)力對有缺陷球殼耐疲勞性能影響試驗研究

李 岳，張興和，李 典，溫殿江，姜一昌

（1.大連理工大學(xué) 化工機械與安全學(xué)院，遼寧 大連 116011；2.大連度達理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧 大連 116620）

壓力容器是承受一定壓力的特種設(shè)備，用于反應(yīng)、換熱、分離和儲存等生產(chǎn)工藝過程，目前大多數(shù)壓力容器為內(nèi)部承壓容器。受容器使用條件、結(jié)構(gòu)及制造因素等的影響，壓力容器的事故率一直較高，造成的危害也非常大。

使用方面，有壓力、高溫或低溫載荷，也可能有疲勞載荷，介質(zhì)存在腐蝕，在使用中經(jīng)常因為誤操作或化學(xué)反應(yīng)失控引起超壓。結(jié)構(gòu)方面，局部應(yīng)力復(fù)雜，如開孔區(qū)域或其他不連續(xù)區(qū)域存在應(yīng)力集中，局部應(yīng)力高，如果存在疲勞載荷，這些部位往往容易發(fā)生疲勞破壞［1-4］。制造方面，壓力容器大多為板焊結(jié)構(gòu)，板材及焊接部位或多或少存在微觀缺陷［5-7］。壓力容器制造后的無損檢測，只能保證所存在的缺陷個數(shù)及尺寸不超過相應(yīng)等級的無損檢測要求，并不能保證容器殼體內(nèi)沒有任何缺陷，也不能保證缺陷無漏檢。

缺陷是疲勞破壞的根源，疲勞容器缺陷處會有較大應(yīng)力集中，缺陷設(shè)備疲勞壽命與安全性是目前技術(shù)研究的重點之一。這方面的研究大多基于有限元應(yīng)力分析，并通過疲勞壽命曲線對設(shè)備的使用壽命進行預(yù)測［8-10］，或基于某些評定方法對有缺陷壓力容器進行安全評定［11-14］。目前對提高現(xiàn)存缺陷薄壁容器耐疲勞性的研究不多，對于有缺陷的高壓、超高壓厚壁容器，則較多采用自增強技術(shù)提高容器的耐疲勞性［15-20］，利用厚壁殼體的彈塑性變形特點，使內(nèi)壁保持較大的壓縮應(yīng)力，這樣可大幅度降低存在缺陷的內(nèi)壓殼體內(nèi)壁應(yīng)力，從而提高疲勞壽命，該技術(shù)已廣泛用于工程項目。

文中采用鈦材薄壁球冠形殼體進行試驗，在球冠上預(yù)制周向大尺寸槽型缺陷，研究了殼體中存在殘余應(yīng)力和熱處理后消除殘余應(yīng)力情況下的殼體耐疲勞性能。

1 缺陷準(zhǔn)球冠形薄壁殼體預(yù)制及其爆破測試

1.1 預(yù)制方法

疲勞試驗在有缺陷的準(zhǔn)球冠形薄壁殼體試樣上進行。試樣用鈦材薄板爆破預(yù)制，準(zhǔn)備直徑80 mm、厚度0.3 mm圓形鈦材薄板1塊，用胎具在圓板上壓出深度均勻、直徑50 mm的圓形減弱槽，然后將圓板置于爆破工裝（圖1）上，通入1.80 MPa壓縮空氣，使之發(fā)生沿槽開裂的塑性變形而成為準(zhǔn)球冠形薄壁殼體（圖2）。

圖1 準(zhǔn)球冠形薄壁殼體制造方法示圖

圖2 準(zhǔn)球冠形薄壁殼體結(jié)構(gòu)示圖

采用圓板邊緣固定，利用氣壓使殼體發(fā)生塑性變形方法預(yù)制的準(zhǔn)球冠形殼體，其球冠下部存在1個未穿透的圓形槽，根據(jù)經(jīng)驗可以定性預(yù)判此槽對球殼的耐疲勞性影響會極大，將使球殼疲勞壽命大幅度降低。另外，殼體的壁厚在預(yù)制成形后也比原始材料厚度減薄一些，這種大尺度缺陷和成形方法在實際設(shè)備上是不可能存在的。但從殘余應(yīng)力對殼體耐疲勞影響研究的角度考慮，這種塑性變形方法可以在殼體內(nèi)產(chǎn)生符合研究需要的較大殘余壓縮應(yīng)力，此種試驗方法因而具有研究上的合理性。

1.2 爆破測試

在對預(yù)制的試樣進行疲勞試驗前，需要先按照疲勞試驗?zāi)繕?biāo)壓力、允許壓力偏差、操作壓力范圍要求進行抽樣爆破試驗測試，從技術(shù)上確保選擇的試樣滿足疲勞試驗要求?？偣差A(yù)制了18件有缺陷的準(zhǔn)球冠形薄壁殼體，根據(jù)概率統(tǒng)計分析方法，只需從中隨機抽取3件進行試驗，若這3件試樣滿足要求，則認為剩余15件為滿足疲勞試驗要求的合格試樣。

抽樣爆破試驗要求的目標(biāo)爆破壓力為2.0 MPa，爆破壓力偏差±5%，允許爆破壓力為1.90～2.10MPa。爆破試驗隨機抽樣結(jié)果及爆破壓力見表1。

表1 準(zhǔn)球冠形缺陷薄壁殼體隨機抽樣結(jié)果及爆破壓力

表1顯示，隨機抽樣結(jié)果均滿足預(yù)定的爆破試驗要求，因此可預(yù)測剩余15件有缺陷的準(zhǔn)球冠形薄壁殼體的爆破壓力在1.90～2.10 MPa，滿足疲勞試驗對試樣的要求。

2 有缺陷球殼疲勞試驗方法及結(jié)果討論

2.1 樣件分組處理

從通過爆破測試確定的15件合格預(yù)制準(zhǔn)球冠形殼體中隨機取10件，在馬沸爐中對其進行350℃低溫消除殘余應(yīng)力熱處理，并在350℃下保溫40 min，取出空冷，然后在此10件產(chǎn)品中再隨機取5件，逐片安裝在圖1所示結(jié)構(gòu)中，依次通入1.8 MPa壓縮空氣進行再次加壓，理論上試樣會產(chǎn)生二次微變形和殘余壓縮應(yīng)力。上述操作將 15 件試樣分為 3 組，第 1 組為 1#、5#、10#、16#、18#試樣，共5件，為經(jīng)過低溫消除殘余應(yīng)力熱處理的樣件； 第 2 組為 6#、7#、11#、12#、15#試樣，共5件，殼體內(nèi)有較大殘余壓縮應(yīng)力；第3組為3#、4#、8#、13#、17#試樣，共 5 件，為經(jīng)過低溫?zé)崽幚砗笤僖淮问軌喊l(fā)生輕微變形的試樣。

2.2 疲勞試驗結(jié)果

分別用上述3組試樣進行疲勞試驗，試驗壓力0～0.8 MPa，疲勞上限壓力保壓2 s，3組15個編號試樣的疲勞破壞次數(shù)見表2。

表2 3組試樣極限疲勞破壞次數(shù)

2.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表2計算的第1組試樣的平均疲勞破壞次數(shù)為541次，第2組的為1 617次，第3組的為1 151次。對比3組試樣的平均疲勞破壞次數(shù)可見，在相同試驗條件下，第2組的約為第1組的3倍，約為第3組的1.4倍；第2組、第3組的約為第1組的2～3倍。

基于試驗結(jié)果，認為3組試樣所代表的3種有缺陷殼體的唯一區(qū)別是，350℃熱處理基本消除了殼體內(nèi)殘余壓縮應(yīng)力，再一次充壓使殼體內(nèi)又產(chǎn)生了部分殘余壓縮應(yīng)力，殘余壓縮應(yīng)力最大的是由平板發(fā)生塑性變形為球冠形的殼體。結(jié)合350℃的低溫?zé)崽幚硎菬o法改變鈦材殼體的組織結(jié)構(gòu)這一基本認識，認為殼體內(nèi)殘余壓縮應(yīng)力越大對提高殼體的耐疲勞性越有利。殘余壓縮應(yīng)力的作用是，在受內(nèi)壓疲勞時殘余壓縮應(yīng)力部分抵消了內(nèi)壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使疲勞應(yīng)力幅大幅度下降，明顯提高了殼體的疲勞壽命，所以未經(jīng)熱處理產(chǎn)品具有非常好的耐疲勞性。

從設(shè)備耐疲勞角度看，使承受內(nèi)壓的容器殼體內(nèi)保持一定殘余壓縮應(yīng)力對提高設(shè)備的疲勞壽命非常有利。對受內(nèi)壓的卷焊壓力容器，如果能保證殼體內(nèi)是殘余壓縮應(yīng)力，則不必?zé)崽幚?。無法保證時，必須經(jīng)過熱處理，熱處理后必須經(jīng)過壓力試驗，使殼體內(nèi)產(chǎn)生一定殘余壓縮應(yīng)力，這對提高容器的耐疲勞性是非常有利的，也許對疲勞容器采用更大的壓力試驗也是非常必要的。

3 結(jié)語

試驗研究了有缺陷球殼殼體中存在殘余應(yīng)力和熱處理后消除殘余應(yīng)力情況下的殼體耐疲勞性。對試驗結(jié)果的分析表明，內(nèi)壓殼體中存在一定殘余壓縮應(yīng)力會明顯提高殼體的疲勞壽命，并且殘余壓縮應(yīng)力越大，有缺陷殼體的疲勞壽命越長。經(jīng)過低溫?zé)崽幚硐龤堄鄩嚎s應(yīng)力的有缺陷殼體，其疲勞壽命會大幅度降低，所以對經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理的殼體，應(yīng)進行壓力試驗以保持殼體內(nèi)有一定的殘余壓縮應(yīng)力，這對提高殼體的疲勞壽命極其有利。