压力容器的疲劳损伤与其防护技术崔家伦

压力容器的疲劳损伤与其防护技术崔家伦

崔家伦

天津钢管集团股份有限公司天津市300301

摘要：随着社会不断的发展，我国经济发展水平逐渐提高，工业发展迅速，压力容器承受循环载荷的情况越来越多，压力容器的交变载荷主要来自于一些压力容器的压力波动、外加载荷的交变以及强迫振动。随着压力容器具有越来越高的耐热性、耐疲劳性、耐腐蚀性要求，这使压力容器疲劳分析设计地位日益突出。在对其设计工作时应该保证所制定的设计方案具有一定的针对性与综合性因素。基于此，对压力容器的疲劳分析设计进行了简单的研究。

关键词：压力容器；疲劳分析；设计

引言

压力容器破坏的形式多种多样，有腐蚀破坏，任性破坏等等。疲劳损伤是较为容易被忽略的一种破坏形式。它是在压力容器频繁的压力波动下，内壁长期经受交变载荷的作用下而产生的一种损伤模式，这种情况下的内壁形态并没有发生明显的变化，不易被察觉，但容易造成突然的失效。疲劳损伤与其它的破坏形式存在明显的区别，但是，疲劳损伤容易引起突发性事故，危害极大，应当加以重视。

1、压力容器分析设计

在实际运行期间载荷分析完成后，根据计算条件应对压力容器整体进行结构定位、分析。在对其做结构分析过程中，还应将其中不连续点和承受局部的载荷元件中的应力部位体现出来，再根据对不同部位的分析以及结构形式和载荷形式建立相对应的力学模型，在设计过程中还应该按照以下几点开展应力模型的设计工作：力学模型是压力容器中重要组成部分，其中的结构尺寸、参数在实际设计过程中要尽量满足实际结构的需求；做好力学模型边界条件和位移约束条件的分析工作，并将其中的条件尽量用简化方式体现出来；在弹性范围内，将力学模型中的多种载荷通过叠加的形式进行简单处理。应力分析主要用于确定与零件和构件失效有关的危险点的应力集中、应变集中部位的峰值应力和应变。零件和构件的应力分布和大小与其承受的载荷和温度有关，也与零件的形状、尺寸和材料性质等有关。对于压力容器来说应力分析可以有效的对其局部危险点在确定载荷、结构分析的基础上进行更加详细的分析，通过应力分析把分析区域中的应力的最大值与最小值体现出来，并分析局部区域应力随着时间的变化而变化。随着压力容器设备不断发展，计算机科学的不断发展，应力分析方法也在不断的发展，目前常见的应力分析方法有：板壳理论分析法、数值分析法以及疲劳实验法等[6]。要想保证所开展的分析工作结果可以比较科学、准确，就应该保证计算结果具有完整性和可靠性的特点，减少不必要的工作量，应根据相关数值制定出一个模型。建立模型时应该把压力容器分为几个部分进行计算分析，比如接管与封头的连接工作、裙座与封头的连接工作、接管与筒体的连接工作等。

2、疲劳损伤的预防与防护

疲劳损伤的危害性已经被人们所认知，为避免疲劳损伤的出现，保证安全生产，需要对压力容器进行疲劳设计，预防疲劳损伤的出现，并依据实际经验对压力容器进行抗疲劳损伤防护。

2.1压力容器的疲劳设计

ASME规范在压力容器疲劳分析设计过程中，主要对载荷和结构、应力计算、交变应力幅度的求取、设计疲劳曲线的应用等方面进行分析设计来保证压力容器可以满足疲劳分析的要求。在对压力容器开疲劳分析设计工作时，如果没有按照相应制定的标准进行，那么就会对整个压力容器疲劳情况就会出现判断错误的现象，影响其设备使用安全性。要想保证其分析工作科学、合理，目前一般采用通过ASME规范化的形式来开展疲劳分析设计工作。ASME设计方法是以Langer研究基础而来。通过多个母材制成的光滑小试件进行疲劳实验，同时还要在恒应变单轴控制的形式下开展疲劳测试，只有这样才能得到属于材料疲劳失效的平均寿命曲线，并将压力容器缺口平均应力的最大值体现出来。在疲劳分析设计过程中，可以将试件中的平均应力对材料的疲劳失效寿命曲线进行调整，并通过设计虚拟应力和循环次数的形式修正疲劳寿命曲线。为了保证所开展疲劳设计工作得到准确的应力强度计算结果，还应对其中应力强度进行弹性分析，减小压力容器中焊缝局部疲劳强度系数。当前，压力容器的疲劳设计主要有三种形式：以试验为基础的疲劳设计、基于断裂力学的疲劳设计以及参考疲劳曲线的疲劳设计。以试验为基础的疲劳设计即通过大量的试验来确定压力容器的疲劳寿命，这种方式较为传统，所获得的试验数据也与实际情况较为接近，设计结果较为可靠。但是，这种方法也有明显的弊端，其在容器组成相对复杂，成本也相对较高。在不同的外载、不同环境和存储介质条件下所得到的的试验数据并不能通用，所需试验次数较多、工程庞大的情况下，这种方法造成了资源的损失，拖延了工期，因而并不实用。基于断裂力学的疲劳设计在具体实践中也较少实用，因为基于断裂力学的疲劳设计在结构设计的时候就需要对其进行处理，与实际的工程情况存在差异。

2.2压力容器疲劳损伤的防护

首先，在压力容器的制造与检验过程中，应严格把握质量，从材料、焊接以及装配环节等进行质量的监督与控制，把好设备质量的第一关，做到精益求精。其次，设备的使用单位在进行验收时，应尽力配合检验单位的监督检验工作。压力容器的固定零部件，例如地脚螺栓等必须牢靠，尽量保证压力容器使用过程中的平稳，避免异常震动的产生。再次，针对大型的塔式压力容器，在设计过程中，由于高度的限制而无法避免外部环境对载荷的影响，应将疲劳失稳因素考虑在内，以避免疲劳损伤的发生。最后，压力容器在使用过程中也应当尽力的避免疲劳损伤产生，严格执行设备的相应操作规范，保障设备的平稳运行，减少压力的频繁波动，防止压力与温度的大幅波动，给设备一个稳定的运行环境。

结束语

随着现代工业不断的发展，压力容器在工业应用条件越来越复杂，压力容器的疲劳分析设计在各个领域中越来越受到重视。在现代工业中已经有越来越多的新技术、新材料不断的涌现。可以将现有的分析设计方案不断创新、完善，只有这样才能保证分析设计跟上产品发展的脚步，使分析设计更加吻合压力容器实际情况。

参考文献

[1]孙战立,张峥.典型压力容器用钢13MnNiMoR的高温疲劳性能研究[J].中国特种设备安全,2018,34(09):20-25+50.

[2]朱丹宏.存在裂纹的压力容器疲劳断裂分析[J].化工管理,2018(20):159.

[3]高勇,黄盛鹏,党睿,何飞,王琦.含缺陷压力容器筒体与封头连接处的疲劳分析及安全评定[J].辽宁化工,2018,47(06):511-513.

[4]陈涛,刘攀,徐晓.反应堆压力容器主螺栓螺纹疲劳分析方法[J].压力容器,2018,35(02):24-28.