壓力容器疲勞壽命與裂紋研究分析

張開然 田路軍

摘要：壓力容器使用廣泛，其生產加工形式主要由焊接組成，在其焊縫中難免會存在漏焊或未焊透現象，壓力容器的大表面也會存在表面缺陷。在內部壓力的作用下，這些微小缺陷很快形成初始表面裂紋，隨之擴展，這些缺陷給壓力容器帶來致命隱患。因此，對容器表面裂紋擴展規律的研究，及剩余使用壽命的評估，具有重要的實際工程意義。

關鍵詞：壓力容器;裂紋;影響因素

在實際生產加工過程中，構件通常會在交變載荷的情況下工作，在此工作條件下若構件中存在裂紋則對結構十分不利，構件中的裂紋也會在此種情況下得到發展。據不完全統計，有60%以上的容器泄漏、斷裂事故由裂紋引起。

1.裂紋的形式及分類

工程構件中存在多種缺陷，在冶煉、生產加工過程中都會帶來這樣那樣的缺陷，如夾渣、刀痕、未焊透等，這些缺陷都會給構件帶來安全隱患。在斷裂力學中，把這些缺陷統稱為“裂紋”，并對這些裂紋進行了分類。工程構件中的缺陷及裂紋均可以考慮為三維問題，為了利于工程實踐，經過專家學者的實驗研究將多種表面裂紋形式用橢圓形及半橢圓形來描述，具體又可分為埋藏裂紋、表面裂紋、角裂紋、孔壁表面裂紋、孔壁角裂紋。在壓力容器結構，由于表面積大加工及運輸的原因，容易產生表面裂紋。壓力容器封頭與圓筒形體的連接采用了焊接的形式，在焊接過程中容易產生埋藏裂紋及焊縫殘余應力。按不同的方法可以將裂紋分為不同的形式，按其受力情況對裂紋的形式進行定義與分類，可以將其分為張開型、滑開型與撕開型。

2.應力疲勞條件下的裂紋擴展

眾多學者在對裂紋裂紋擴展的研究中，試圖通過某種方式搭建起材料力學參數與其裂紋擴展的橋梁。對裂紋裂紋擴展速率的表達學者們定義：Δa/ΔN（mm/次）來表示裂紋擴展速率，其中ΔN為循環次數，Δa為裂紋在ΔN次循環后的增長量，對裂紋擴展做微分處理，即裂紋擴展為da/dN，這稱為“裂紋擴展速率”。

對于單軸循環應力下，與應力方向垂直的裂紋的擴展速率，可以表示為：

公式（2.1）中，N是應力循環次數，a是裂紋長度，σ是正應力，C是材料常數。

3.影響裂紋擴展的若干因素

應力疲勞條件下，裂紋擴展主要受應力強度因子幅度ΔK的影響，其相當于源動力。然而眾多工程現象和實驗表明，疲勞裂紋擴展時，對其產生影響的因素眾多。

3.1平均應力的影響

疲勞裂紋擴展時，當應力強度因子幅值一定時，da/dN將會隨應力比R變化，R升高裂紋擴展速率加快。由平均應力σm和應力幅σa經過理論推導，σm與Δσ和R之間存在如下聯系

公式（2.3）表明，當Δσ為定值，即ΔK是定值時，σm會隨R的增大而增大（0≤R

3.2過載峰的影響

構件本身不會簡單的承受一種恒幅載荷形式，而是復雜的載荷譜疊加而成的變幅載荷。一些專家學者通過實驗顯示，在單一交變載荷作用下擴展速率穩定，此時施加一個尖峰載荷，其接下來的裂紋擴展速率將變低，有的乃至于降低到0，隨后經過一段時間的交變載荷恢復，其裂紋擴展速率才回到相應的數值上去。運用Miner損傷理論對裂紋擴展進行探討，發現理論中值往往不等于1而大于1，由上述分析得出結論是由于尖峰載荷的延緩作用。

3.3加載頻率的影響

加載頻率的影響與裂紋擴展所處的應力強度有直接的關系，一般情況下，在應力強度因子較低時，載荷頻率的變化對其裂紋擴展的作用微小。然而當應力強度因子值ΔK較高時，特別是受到外界環境的多重影響，如高溫、高壓，此時會出現頻率影響同蠕變影響共同作用，那么頻率對裂紋擴展的影響就相當顯著了，頻率越低影響越大，裂紋擴展速率將明顯升高。在實際工況中若材料受到應變疲勞時其加載頻率均較低，所有我們實驗所得的高頻下裂紋擴展速率要經過修正后才能應用于工程實際問題。

3.4溫度的影響

溫度對裂紋擴展的影響受到材料的限制，在后文中提及在低溫及中高溫的環 境中，溫度是通過改變材料固有參數來影響其裂紋擴展速率，而在高溫情況下，溫度對裂紋擴展的影響比較復雜，其中涉及到高溫蠕變、高溫氧化、金相改變等諸多因素。溫度對裂紋擴展的影響是隨著溫度上升，裂紋擴展速率增大。相反隨著溫度的下降擴展速率會降低。通過實驗驗證，鋁合金板裂紋擴展受溫度的影響，60°C擴展速率較20°C快了3倍多。學者對對304不銹鋼的裂紋擴展速率進行了深入研究，材料在649°C時較24°C時裂紋擴展速率高了11倍。

3.5腐蝕環境的影響

腐蝕環境對裂紋擴展的作用不容忽視，如海洋作業平臺、石油鉆臺、噴涂車間、潮濕環境等。特別腐蝕環境與頻率影響的疊加，在腐蝕環境中頻率越低其對壽命的影響越大，從而我們要選擇好材料，降低材料對環境的敏感程度。

總結

綜上所述，對于不同的疲勞形式采取不同的分析方法，在疲勞過程中充分考慮的外界載荷及環境對疲勞過程的影響，所采取的分析及估算方法直接影響到最終的壽命結果。在壓力容器設計及壽命校核方面借助有限元方法可以提高運算速率及安全性。

參考文獻

[1]肖文平.壓力容器焊接接頭疲勞裂紋萌生壽命的探討[J].城市建設理論研究（電子版），2018（36）：76.

[2]木合塔爾·買買提依明，劉瑞瑞.壓力容器的疲勞壽命與裂紋擴展規律分析[J].中國設備工程，2017（06）：51-52.

[3]周金玲.壓力容器疲勞壽命安全預測方法[J].民營科技，2016（01）：67.

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