浅谈压力容器的疲劳分析及设计

浅谈压力容器的疲劳分析及设计

随着石油化工和其他工业的迅速发展，元件结构和载荷的日趋复杂，疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。尽管人们对疲劳问题已引起足够重视，但疲劳破坏事故仍然不断发生。所以，对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。本文主要是对压力容器出现疲劳的原因及其设计进行分析论述。

标签：压力容器；疲劳；设计

压力容器的破坏形式有很多种，如脆性、韧性破坏，介质腐蚀破坏等。疲劳损傷有别于其他损伤模式，日常检查不容易发现，并且引发的事故突然，因此具有极大的潜在危害性，设备管理者应对其高度重视。

对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环加力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳，压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。下文将对压力容器疲劳的相关内容进行详细的论述。

1 压力容器疲劳缺陷产生的原因

压力容器发生疲劳破坏的时候，一般没有明显的塑性变形的标志出现，这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值，发生了晶粒滑移，随着载荷的不断往复作用，晶粒逐渐从高应力集中区分散开，从而产生了裂纹，这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。

压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域：

第一，开孔接管区域，这边由于开孔之后，材料缺失，这部分及其容易形成应力集中区，从而导致产生疲劳缺陷。

第二，支座连接区及封头连接区域，这部分是由于焊接之后，产生的各种问题，导致应力集中，同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快，这样更容易产生应力的集中，从而容易导致疲劳缺陷。

第三，压力容器的总体区域，在这些区域中一些原始的缺陷：如焊接的残余应力，容器板材加工过程中的应力，都可能导致应力的集中，从而产生疲劳缺陷。

为了解决这些问题，需要在设计时，从各个方面来对这些问题进行处理。

2 压力容器的疲劳设计分析

首先对压力容器进行粗设计，确认需要的主体结构的材料，然后对其进行有限元分析，确认应力集中点，在利用疲劳预测软件汇合材料的材料疲劳性能参数，疲劳载荷谱，对材料的疲劳寿命进行预测，最后对结果进行分析以确认是否可以，不可行的情况下根据计算情况进行设计修改。

设计之前首先需要获得疲劳曲线图。疲劳曲线是指金属承受交变应力和断裂循环周次之间的关系曲线。各种材料对变应力的抵抗能力，是以在一定循环作用次数N下，不产生破坏的最大应力σN来表示的。

在初始设计的时候需要注意，疲劳破坏由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。可见，局部性是疲劳的明显特点。因此，在设计的石化要注意细节，研究细节处的应力应变，尽可能减小应力集中。

目前疲劳应力的设计有三种：基于试验的疲劳设计，以断裂力学为基础的疲劳设计和采取设计疲劳曲线的疲劳设计。

基于试验的疲劳设计，主要是利用实验来确定疲劳寿命，这是最传统的方法，能够获得与实际情况最接近的数据，这种方法虽然可靠，但是在设计阶段，或容器的组成太复杂、太昂贵时，以及在实际情况的类别数量太庞大的情况下，无论从人力，物力，还是从工作周期上来说，它都是不大可行的。并且由于容器的结构、外载荷、储存介质和环境差异，使得实验结果不具有通用性。

采取设计疲劳曲线的疲劳设计需要利用一个标准的疲劳曲线来进行设计，标准中的设计疲劳曲线不是由实验确定的原始曲线，而是考虑多种影响因素后，经过修正适合工程应用的设计疲劳曲线。设计疲劳曲线均考虑了平均应力的影响，因此只需考虑循环载荷所引起的应力，而无需考虑在循环中不变化的任何载荷或温度状态所产生的应力，因为其产生平均应力，而平均应力的最大可能影响已包含在疲劳设计曲线中。同时，考虑到实验数据的分散性、尺寸效应、表面粗糙度和环境因素等，对应力幅取2.0的安全系数，对寿命取20的安全系数（其中包括数据分散度2.0，尺寸效应2.5，表面粗糙度和环境因素等4.0）。

以断裂力学为基础的疲劳设计，在壓力容器的疲劳设计中很少使用断裂力学去进行设计，断裂力学的设计主要在结构设计的时候已经对其做了处理。

3 各个区域的不同处理

在压力容器的各个区域中，疲劳的分析和设计都不相同。

对于承压元器件可以采用应变疲劳方法又称局部应变法或者局部应力-应变方法。该方法将作用于机构细节的名义应力谱，通过弹塑性分析，转换为结构细节危险点的局部应力谱，然后通过当量循环的方法，把局部谱用计数方法得到的应力应变循环等效于光滑试件的应力应变循环，最后由光滑试件的应变-寿命曲线估算结构危险点的疲劳损伤，进而预测结构的疲劳寿命。

对于普通情况的可以采用名义应力法进行计算，名义应力法是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或零件的S-N曲线为基础，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累积理论，校核疲劳强度或计算疲劳寿命的一种方法。

参考文献：

[1]郑伟.压力容器的疲劳分析设计的研究[J].化工设计通讯，2017（01）.

[2]舒安庆，陈西茜，鲍冲等.高温高压快开门压力容器的强度评定及疲劳分析[J].武汉工程大学学报，2016（02）.