摘要：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。
关键词：压力容器；疲劳损伤；防护技术
在压力容器的实际分析过程当中,在社会的生产生活当中产生了相当大的影响,因此需要对其进行实际发展的过程当中,对其中所偶出现的不同因素进行有效的科学分析。在具体的发展过程当中,由于各种的因素会产生疲劳断裂的现象。但是在此种情况下,需要对裂纹的扩展和疲劳断裂的影响因素做出全面科学的分析,最大限度的实现对压力容器的寿命延长。
1疲劳损伤有别于其他损伤模式的特点
疲劳损伤引起的容器开裂往往没有观察到明显的塑性变形，直径没有显著增加，壁厚没有减小。这与塑性变形和腐蚀开裂完全不同。原因是什么？通过仔细观察，在疲劳裂纹发生的部位可以发现疲劳裂纹。疲劳裂纹分布在容器的局部应力集中位置。容器在使用过程中，应力集中区容易产生微裂纹。这些微裂纹在设备增压和减压的交替作用下逐渐发展，最终形成疲劳裂纹。在这一过程中，压力容器的整体应力水平不高，金属材料仍在弹性范围内，因此当出现疲劳损伤时，肉眼无法看到容器的外观。
疲劳损伤断裂附近有两个明显的区域：一个是裂纹聚集和扩展区域，另一个是最终断裂区域，即疲劳损伤和脆性断裂之间的断裂形态差异。许多压力容器应力周期长，裂纹发展缓慢。一些线条清晰的疲劳裂纹可以根据纹理的方向找到裂纹的起始点。裂纹的起点不同于断裂的其他部位。起始点的位置通常是应力集中的地方。通常发生在容器内壁接管的角焊缝中，焊接时容器的轮廓不连续。
容器应力集中部位出现疲劳裂纹后，设备启停、反复升压、泄压，加剧裂纹扩展。工作压力的波动是影响容器在使用过程中裂纹扩展的重要因素。
2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。
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3疲劳损伤的预防与防护
3.1压力容器的疲劳设计
在疲劳设计过程中，首先需要对压力容器进行初步设计，确定其主要结构和材料，然后对其进行有限元分析，建立应力集中点，并结合疲劳载荷谱预测压力容器的整体疲劳寿命。材料的疲劳特性。然后，对预测结果进行分析和确认，并根据工程实际情况对设计进行必要的修改。在进行设计之前，应首先参考疲劳曲线，以获得发生断裂时金属的循环周期和交变应力之间的关系。不同材料对交变应力有不同的抵抗力，交变应力由一定循环次数下失效的临界应力表示。在初步设计中，应注意的是，疲劳失效开始于应变较大或应力较大的地方，并逐渐形成累积损伤，导致疲劳失效。因此，失效是疲劳损伤的主要特征之一。在设计中应注意应变和应力，避免应力集中的发生。
目前，压力容器疲劳设计主要有三种形式：基于试验的疲劳设计、基于断裂力学的疲劳设计和基于参考疲劳曲线的疲劳设计。基于试验的疲劳设计是通过大量的试验来确定压力容器的疲劳寿命。该方法比较传统，实验数据更接近实际情况，设计结果更可靠。但是，该方法存在容器组成相对复杂、成本相对较高等缺点。在不同负载、不同环境和存储介质下获得的测试数据不能通用。在试验次数多、工程量大的情况下，这种方法会造成资源损失，延误工期，不现实。基于断裂力学的疲劳设计在实践中不太实用，因为在结构设计中需要对基于断裂力学的疲劳设计进行处理，这与实际工程情况不同。
相对而言,参考疲劳曲线的疲劳设计在实际情况中较为常用。这种方法需要以标准的疲劳曲线作为支撑,这种疲劳曲线不仅仅是由实验数据所的出来的,它进一步的考虑了多方面因素的影响,综合之后进行了修正。当然,所涉及修正因素的不同,相应的疲劳曲线也有一定的区别,但都将平均应力的影响考虑在内。因此,设计过程中,只需着重考虑循环载荷带来的应力,可忽略其它不变化的载荷和温度所引起的应力,因为平均应力已经将这些可能的应力影响考虑在内。同时,综合考虑实验数据的尺寸效应,分散性,环境以及表明粗糙度等因素,应力幅值的安全系数取2.0,而寿命的安全系数取20。
3.2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,对于大型塔式容器，由于高度原因，无法避免外部环境产生的载荷影响，在设计时应考虑疲劳失稳的因素，保证设备不至于发生疲劳损伤。压力容器使用过程中，要严格执行设备的操作规程，平稳操作，尽量较少升压泄压次数，防止压力、温度大幅波动。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。
结论
伴随着我国经济的快速发展，工业化的发展进步，在石油化工行业以及日常生活中已经大量开始应用压力容器。压力容器和各种承压设备全部是在复杂的载荷环境中开展工作，容易造成结构疲劳失效问题，进一步引发巨大的破坏。随着石油化工装置的大型化发展，在技术领域中压力容器的疲劳断裂问题逐渐获得了重视。根据相关方面数据分析可知，在压力容器损坏事故中由于逐渐扩展的疲劳裂纹问题大概占40%，因此，对疲劳失效特点、原因和措施进行系统研究具有重要意义。
参考文献
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论文作者:杨虎生
论文发表刊物:《防护工程》2018年第34期
论文发表时间:2019/3/25
标签：疲劳论文; 应力论文; 压力容器论文; 裂纹论文; 损伤论文; 容器论文; 载荷论文; 《防护工程》2018年第34期论文;