压力容器的疲劳分析及设计
压力容器的疲劳分析及设计
摘要: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。
关键词:压力容器 疲劳分析 设计
一、背景
国际标准化组织(ISO )在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做的定义是:“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”这一描述也普遍适用于非金属材料。
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。
二、材料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:
1. 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。
2. 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。
3. 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。