压力容器低循环疲劳设计

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1、压力容器低循环疲劳设计基础§1.1低循环疲劳问题的提出疲劳是指金属在承受交变应力或应变作用下逐渐产生局部地区的永久性结构改变，且在一定循环次数以后，在这些地区能导致裂纹穿透构件或使构件全部断裂。§1.1.1高循环疲劳和低循环疲劳19世纪上半叶，人们发现，矿车心轴，在长期安全使用以后在轴肩处突然出现断裂。图1-1轴肩处的高循环疲劳断裂德国人维勒（Augustwohler）的模型试验，即将圆形试棒施以对称循环的交变应力，测量交变应力水平和直到该试棒断裂为止的循环次数Nf的关系。提出了Sa-Nf曲线（又称维勒曲线）以及材料的抗疲劳持久极限

2、s－1的概念，s－1是指试棒保持在Nf＝107仍不断裂所承受的疲劳应力幅。压力容器的疲劳破坏问题是在19世纪中才开始逐步发现、发展起来的，压力容器和轴类零件高循环疲劳问题的主要区别是①轴类零件的应力水平低，而压力容器的应力水平则较高。②压力容器在整个使用寿命期间所承受的交变载荷次数一般都不会超过105，只要求具有有限的寿命。③轴类零件含碳量较高，强度高，表面加工质量要求高；而压力容器用材强度级别较低，延塑性较好，难以对表面粗糙度提出较高的要求。压力容器的低周疲劳破坏§1.1.2安全寿命设计和破损安全设计安全寿命设计根据容器元件所承受

3、的交变载荷，用压力容器设计中所常用的基于弹性力学的板壳理论和材料力学等方法求取元件的交变应力幅并将它限于某一由实验得到的、和载荷循环次数相对应的许用应力幅以下，因而保证了该容器在该应力水平和载荷循环次数以下是安全的。破损安全设计它承认材料存在缺陷，根据裂纹在交变应力作用下的扩展速率而求取在所要求的交变载荷循环次数时裂纹的扩展长度（或深度），并根据该容器（或受压元件）的实有厚度判断该容器（或元件）是否安全；或求取裂纹扩展到某一允许长度（或深度）时所可以承受的交变循环次数，并由该容器所受交变载荷的设计循环次数来判断该容器（或元件）是否安

4、全。§1.2疲劳破坏的原因一般认为，金属材料在交变载荷作用下所引起的疲劳失效可以看为能量的积累及转换过程，金属材料在交变载荷作用下所引起交替的塑性流动是导致裂纹形成的能量来源。在开孔接管区，支座区或其它局部载荷区，圆筒和封头相连接的边缘区，焊缝的错边、咬边或余高区，焊缝的垫板区，由于种种加工原因而引起的表便插伤或刻痕区，以及引弧区、钢印区等，这些局部地区在正常操作条件下的应力超过材料的屈服强度而引起塑性变形。在压力容器的总体区域，也可能存在原始缺陷、焊接缺陷或焊接残余应力，这些相当于应力集中源，缺陷尖端的应力在操作条件下也会超过材料

5、的屈服强度而使之引起塑性变形。根据能量的积累和转换的观点来分析疲劳破坏的起因，显然，在加载、卸载过程中在材料的应力－应变图上所构成滞回线的面积越大，则越易发生疲劳破坏。根据分析得到三点启发.第一点，为使构件在每一个循环的交变应力作用下尽可能的吸收最少的塑性变形能，所以要求材料具有循环硬化性质，避免采用循环软化性质的材料。图1－2金属材料的循环硬化及循环软化经过退火处理的钢材是典型的循环硬化材料；而通过这种方式经冷作硬化的钢材，则是典型的循环软化材料。ST/S0.2>1.4时（相当于S0.2/ST<0.71）,一般属于循环硬化材料；S

6、T/S0.2<1.2时（相当于S0.2/ST>0.83）,一般属于循环软化材料；ST/S0.2界于1.2－1.4之间（相当于S0.2/ST界于0.83-0.71之间），则一般循环稳定材料，即既不产生循环软化，也不产生循环硬化。第二点，在容器的结构设计中，采取种种措施以减少各种原因引起的应力集中。图1－3局部高应地区的加载和卸载循环第三点，在容器的制造中，和结构要求相配合，采取种种措施以减少应力集中。例如，无论采用补强圈补强、厚壁管补强，除直径不超过100mm且不受外部载荷的仪表孔、检查孔等接管外，接管、补强圈和壳体间的焊接一律要采用

7、全焊透连接结构；在接管与壳体的连接部位，一律要求按照规定的半径尺寸打磨成圆角等，都是为了减少局部高应力。§1.3疲劳曲线金属材料在交变应力下，所能承受的交变应力幅值Sa和直到断裂为止所需循环次数Nf之间的关系，通常用疲劳曲线Sa－Nf曲线进行描述。NfSa§1.3.1交变载荷下的应力－时间曲线如图1－4表示交变载荷下应力－时间曲线，又称应力谱曲线。图中Smax－循环期间的最大应力（代数值）；Smin－循环期间的最小应力（代数值）；Sm－循环期间的平均应力，Sm＝0.5（Smax＋Smin）；图1-4交变载荷下的应力－时间曲线Sr－循

8、环期间的应力范围，Sr＝Smax-Smin；Sa－循环期间的应力幅，Sa＝0.5（Smax-Smin）；R－应力比，为最小应力与最大应力比值，R=。由以上可知：Smax＝Sm＋SaSmin＝Sm-SaR=1为拉伸或压缩静载荷（Smax