壓力容器疲勞失效機(jī)理研究

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1、壓力容器疲勞失效機(jī)理研究摘要：在壓力容器普遍失效形式中疲勞失效是其中之一。壓力容器的開始結(jié)束工作、壓力或者外載的波動(dòng)、提高降低介質(zhì)溫度都會(huì)對(duì)其造成疲勞損傷，不斷積累的疲勞損傷可能破壞容器。隨著壓力容器逐步向大型化發(fā)展，在制造過程中更加容易產(chǎn)生裂紋等問題，日益提升的設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，都會(huì)增加疲勞失效的可能性，因此世界各國都開始積極重視壓力容器疲勞失效問題，分析壓力容器疲勞失效特點(diǎn)、原因等，以便能夠更好的避免發(fā)生疲勞失效事故。關(guān)鍵詞：壓力容器;疲勞失效;機(jī)理分析;金屬材質(zhì)1.疲勞分析方法1.1應(yīng)力疲勞法與應(yīng)

2、變疲勞法我們可以將構(gòu)件承受交變荷載的疲勞過程劃分為應(yīng)力疲勞與應(yīng)變疲勞，承受循環(huán)載荷的大小是其劃分的主要根據(jù)。首先，應(yīng)力疲勞是指通過應(yīng)力參量對(duì)疲勞過程進(jìn)行控制與描述，這一過程的疲勞過程需要符合一個(gè)條件，其循環(huán)載荷最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)在材料自身的屈服應(yīng)力范圍內(nèi)。此時(shí)的應(yīng)力水平很低，壽命較高，因此，也可以稱為高周疲勞。反之，循壞載荷最大應(yīng)力在材料自身的屈服應(yīng)力范圍之外。此時(shí)應(yīng)力水平較高，壽命短暫，因此，稱其為低周期疲勞。在循環(huán)次數(shù)方面高周疲勞和低周疲勞體現(xiàn)為：當(dāng)循環(huán)壽命比104低時(shí)，稱其為低周疲勞，反之，當(dāng)循環(huán)壽

3、命比104高時(shí)，稱其為高周疲勞。1.2斷裂力學(xué)法研究缺陷構(gòu)件的疲勞問題過程中需要采取斷裂力學(xué)法。很多學(xué)者利用線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)深入分析了裂紋擴(kuò)展肌理與控制方式。不同于應(yīng)力疲勞法與應(yīng)變疲勞法，斷裂力學(xué)法著重對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行考慮，而忽略了裂紋的萌生。具體根據(jù)的是裂紋擴(kuò)展速率公式理論基礎(chǔ)，通過某一參量對(duì)擴(kuò)展裂紋速率進(jìn)行控制，采取斷裂力學(xué)理論對(duì)斷裂臨界裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行推斷，因此從初始裂紋擴(kuò)展至臨界裂紋這個(gè)過程，便是疲勞壽命。2?壓力容器失效分析思路2.1失效模式的判別壓力容器失效過程信息具體是指由于內(nèi)

4、部誘發(fā)因素推斷的物理、化學(xué)過程信息，具體包含各類規(guī)則、機(jī)制、模型等信息，它通過樹結(jié)構(gòu)方式利用科學(xué)的搜索對(duì)策采取一定的解釋程序進(jìn)一步推理失效過程。因此，我們將壓力容器作為對(duì)象，利用各類措施對(duì)其科學(xué)分析，進(jìn)一步獲得失效信息，見圖1。之后聯(lián)系各類失效信息根據(jù)一定的方法實(shí)行處理，對(duì)失效模式進(jìn)行判斷。圖1壓力容器失效分析2.2失效原因的判斷及預(yù)防措施通過研究很多的失效案例可知，失效分析具體從對(duì)壓力容器使用壽命因素造成影響的因素入手，分別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、工藝和裝配、環(huán)境等方面實(shí)施分析。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素：部件大小截

5、面、圓角半徑、表面光潔程度、幾何形狀等是否科學(xué);缺口與截面圖表綜合影響應(yīng)力;載荷特點(diǎn)、速率、大小;形成殘余應(yīng)力影響構(gòu)件的程度等。工藝因素：包含熔煉材料方法與冶金質(zhì)量對(duì)功能造成的影響。制造零部件工藝以及熱處理之后的氧化脫碳;加工形成的表面殘余應(yīng)力;熱處理零部件之后校直對(duì)零件造成的影響。材料因素：選擇材料是否合理，材料成分、冶金質(zhì)量、表面狀態(tài)是否正常，尤其需要關(guān)注材料強(qiáng)韌性的各類因素。裝配與環(huán)境因素：在裝配過程中由于不正確的操作容易引發(fā)失效問題，一些零件同心度的偏差也容易造成失效。而這些因素通常不容易被

6、制造與使用人員檢驗(yàn)出來，在失效分析中應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。2.3失效分析總體思路分析壓力容器失效，首先能夠判斷失效模式并且對(duì)失效原因進(jìn)行分析，最終提出預(yù)防處理方法。圖2壓力容器失效分析整體框架3.壓力容器失效機(jī)理3.1破裂或爆破失效機(jī)理3.1.1韌性迫切失效機(jī)理在斷裂以前出現(xiàn)顯著的宏觀塑性變形斷裂稱為韌性破裂。其是金屬材料破壞的方式之一。當(dāng)韌性良好的材料所承受的載荷大于該材料強(qiáng)度極限時(shí)，便會(huì)形成韌性破壞。（1）失效特點(diǎn)斷口周圍形成顯著的宏觀塑性變形;一般出現(xiàn)杯錐狀拉伸斷口，并且與主應(yīng)力有效垂直，錐面和最大切

7、應(yīng)力平行，大概和主應(yīng)力形成45°角，有時(shí)整個(gè)宏觀斷口和最大切應(yīng)力平行，并且產(chǎn)生45°的剪切斷口;斷口出現(xiàn)纖維狀表面;顏色是灰暗色。（2）失效原因違規(guī)進(jìn)行操作;安全附件失靈;壓力容器內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)異常反應(yīng);缺乏強(qiáng)度，材質(zhì)產(chǎn)生劣化等。（3）預(yù)防措施嚴(yán)格實(shí)施管理;根據(jù)科學(xué)規(guī)定設(shè)置安全泄壓裝置；聯(lián)系工藝要求進(jìn)行操作，嚴(yán)格杜絕混料和串料;科學(xué)選擇材料，完善工藝。3.1.2脆性破裂失效機(jī)理脆性破裂失效具體是指裂縫在穩(wěn)定與失穩(wěn)擴(kuò)展過程中，沒有出現(xiàn)顯著的塑性變形進(jìn)一步造成了斷裂失效。在工程結(jié)構(gòu)中脆性破裂屬于一種十分

8、危險(xiǎn)的斷裂。（1）失效特點(diǎn)在斷裂之前沒有發(fā)現(xiàn)塑性變形，一般斷口垂直于正應(yīng)力，斷口表面齊平，其邊緣缺少剪切唇口，或者唇口較小。有時(shí)斷口顏色十分光亮，有時(shí)偏暗。脆性光亮的斷口宏觀浮雕有時(shí)在迅速擴(kuò)展裂紋過程中產(chǎn)生發(fā)射性的線條，當(dāng)斷口發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反光的小平面。脆性偏暗斷口在宏觀狀態(tài)則形成粗糙的沒有定型的表面，有時(shí)外形也會(huì)出現(xiàn)晶粒。（2）失效原因出現(xiàn)突變溫度或者操作溫度比材料轉(zhuǎn)變韌性溫度低;結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了缺陷，形成了較大的殘余應(yīng)力;材質(zhì)出現(xiàn)晶間腐蝕等較大的損傷。（3）預(yù)防措