压力容器疲劳失效机理研究

压力容器疲劳失效机理研究

摘要：在压力容器普遍失效形式中疲劳失效是其中之一。压力容器的开始结束工作、压力或者外载的波动、提高降低介质温度都会对其造成疲劳损伤，不断积累的疲劳损伤可能破坏容器。随着压力容器逐步向大型化发展，在制造过程中更加容易产生裂纹等问题，日益提升的设计应力水平，都会增加疲劳失效的可能性，因此世界各国都开始积极重视压力容器疲劳失效问题，分析压力容器疲劳失效特点、原因等，以便能够更好的避免发生疲劳失效事故。

关键词：压力容器;疲劳失效;机理分析;金属材质

1.疲劳分析方法

1.1应力疲劳法与应变疲劳法

我们可以将构件承受交变荷载的疲劳过程划分为应力疲劳与应变疲劳，承受循环载荷的大小是其划分的主要根据。首先，应力疲劳是指通过应力参量对疲劳过程进行控制与描述，这一过程的疲劳过程需要符合一个条件，其循环载荷最大应力应当在材料自身的屈服应力范围内。此时的应力水平很低，寿命较高，因此，也可以称为高周疲劳。反之，循坏载荷最大应力在材料自身的屈服应力范围之外。此时应力水平较高，寿命短暂，因此，称其为低周期疲劳。在循环次数方面高周疲劳和低周疲劳体现为：当循环寿命比104低时，称其为低周疲劳，反之，当循环寿命比104高时，称其为高周疲劳。

1.2断裂力学法

研究缺陷构件的疲劳问题过程中需要采取断裂力学法。很多学者利用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学深入分析了裂纹扩展肌理与控制方式。不同于应力疲劳法与应变疲劳法，断裂力学法着重对裂纹扩展进行考虑，而忽略了裂纹的萌生。具体根据的是裂纹扩展速率公式理论基础，通过某一参量对扩展裂纹速率进行控制，采取断裂力学理论对断裂临界裂纹长度进行推断，因此从初始裂纹扩展至临界裂纹这个过程，便是疲劳寿命。

2.压力容器失效分析思路

2.1失效模式的判别

压力容器失效过程信息具体是指由于内部诱发因素推断的物理、化学过程信息，具体包含各类规则、机制、模型等信息，它通过树结构方式利用科学的搜索对策采取一定的解释程序进一步推理失效过程。

因此，我们将压力容器作为对象，利用各类措施对其科学分析，进一步获得失效信息，见图1。之后联系各类失效信息根据一定的方法实行处理，对失效模

式进行判断。

图1压力容器失效分析

2.2失效原因的判断及预防措施

通过研究很多的失效案例可知，失效分析具体从对压力容器使用寿命因素造成影响的因素入手，分别是结构设计、材料、工艺和装配、环境等方面实施分析。

结构设计因素：部件大小截面、圆角半径、表面光洁程度、几何形状等是否科学;缺口与截面图表综合影响应力;载荷特点、速率、大小;形成残余应力影响构件的程度等。

工艺因素：包含熔炼材料方法与冶金质量对功能造成的影响。制造零部件工艺以及热处理之后的氧化脱碳;加工形成的表面残余应力;热处理零部件之后校直对零件造成的影响。

材料因素：选择材料是否合理，材料成分、冶金质量、表面状态是否正常，尤其需要关注材料强韧性的各类因素。

装配与环境因素：在装配过程中由于不正确的操作容易引发失效问题，一些零件同心度的偏差也容易造成失效。而这些因素通常不容易被制造与使用人员检验出来，在失效分析中应当引起关注。

2.3失效分析总体思路

分析压力容器失效，首先能够判断失效模式并且对失效原因进行分析，最终提出预防处理方法。

图2压力容器失效分析整体框架

3.压力容器失效机理

3.1破裂或爆破失效机理

3.1.1韧性迫切失效机理

在断裂以前出现显著的宏观塑性变形断裂称为韧性破裂。其是金属材料破坏的方式之一。当韧性良好的材料所承受的载荷大于该材料强度极限时，便会形成韧性破坏。

（1）失效特点

断口周围形成显著的宏观塑性变形;一般出现杯锥状拉伸断口，并且与主应

力有效垂直，锥面和最大切应力平行，大概和主应力形成45°角，有时整个宏观断口和最大切应力平行，并且产生45°的剪切断口;断口出现纤维状表面;颜色是灰暗色。

（2）失效原因

违规进行操作;安全附件失灵;压力容器内部发生了化学异常反应;缺乏强度，材质产生劣化等。

（3）预防措施

严格实施管理;根据科学规定设置安全泄压装置;联系工艺要求进行操作，严格杜绝混料和串料;科学选择材料，完善工艺。

3.1.2脆性破裂失效机理

脆性破裂失效具体是指裂缝在稳定与失稳扩展过程中，没有出现显著的塑性变形进一步造成了断裂失效。在工程结构中脆性破裂属于一种十分危险的断裂。

（1）失效特点

在断裂之前没有发现塑性变形，一般断口垂直于正应力，断口表面齐平，其边缘缺少剪切唇口，或者唇口较小。有时断口颜色十分光亮，有时偏暗。脆性光亮的断口宏观浮雕有时在迅速扩展裂纹过程中产生发射性的线条，当断口发生转动时，会出现反光的小平面。脆性偏暗断口在宏观状态则形成粗糙的没有定型的表面，有时外形也会出现晶粒。

（2）失效原因

出现突变温度或者操作温度比材料转变韧性温度低;结构中产生了缺陷，形成了较大的残余应力;材质出现晶间腐蚀等较大的损伤。

（3）预防措施

科学选择材料，在低温下严格禁止采用非低温用钢;改良结构设计，通过热处理对残余应力有效消除;提升材料的抗蚀能力，采用表面防护方法。

3.1.3疲劳破裂失效机理

在变动载荷与应变长时间作用下的金属材料或者零件，与损伤积累进一步造成的断裂问题形成疲劳破裂失效。具体过程是通过一个疲劳裂缝发生、扩展为疲劳裂缝亚临界状态、最终导致扩展疲劳裂缝失稳。