壓力噴放罐的疲勞壽命分析

秦富友，杜四宏（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 45006；.中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 45000）

壓力噴放罐的疲勞壽命分析

秦富友1，杜四宏2
（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016；2.中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450002）

以有限單元法為依據(jù)，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用中的壓力噴放罐進(jìn)行了疲勞壽命分析，并通過疲勞試驗(yàn)對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行了驗(yàn)證。

壓力噴放罐；有限元分析；疲勞壽命分析；疲勞試驗(yàn)

在反復(fù)交變載荷作用下，材料（零部件或結(jié)構(gòu)）的失效行為稱為疲勞［1］。實(shí)踐表明，交變應(yīng)力引起的失效與靜應(yīng)力全然不同。在交變應(yīng)力作用下，雖然應(yīng)力低于屈服極限，但長(zhǎng)期反復(fù)之后，構(gòu)件也會(huì)突然斷裂。即使是塑性較好的材料，斷裂前也無明顯的塑性變形［2］。近年來隨著壓力容器大型化，工作條件的日益苛刻和安全系數(shù)的降低，設(shè)計(jì)應(yīng)力提高，在容器接管、開孔等處的局部峰值應(yīng)力更高，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的屈服強(qiáng)度。另外，隨著容器的大型化，廣泛采用各種低合金高強(qiáng)度鋼，這些鋼種隨著材料屈強(qiáng)比的提高，承載能力有所上升，但其塑性儲(chǔ)備、對(duì)應(yīng)力集中的敏感性、耐疲勞抗力都有所降低，在容器制造過程中容易產(chǎn)生裂紋及其它缺陷，從而增加了疲勞破壞的危險(xiǎn)性。有人在分析了壓力容器的破壞事故后認(rèn)為，大多數(shù)的斷裂都與疲勞裂紋的擴(kuò)張有關(guān)［3］。因此，疲勞失效問題在機(jī)械構(gòu)件和壓力容器設(shè)計(jì)中已越來越引起重視。本文以有限單元法的思想為依據(jù)，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用中的壓力噴放罐進(jìn)行了疲勞壽命分析，并通過疲勞試驗(yàn)對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行了驗(yàn)證。示，錐形封頭示意圖如圖3所示。壓力噴放罐罐體的材料為16MnR，設(shè)計(jì)壓力為2.3MPa，工作載荷為1.8MPa，加壓、卸壓循環(huán)，每30min波動(dòng)1次，年操作時(shí)間為8760h，設(shè)計(jì)壽命為10年，工作溫度為210℃左右，此溫度下彈性模量Et為201×103MPa。

圖1　壓力噴放罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1　有限元分析

1.1壓力噴放罐的相關(guān)參數(shù)

壓力噴放罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由上部進(jìn)料口（橢圓封頭部分）、中間筒體、下部出料口（錐形封頭部分）三部分組成。進(jìn)料口示意圖如圖2所

圖2　進(jìn)料口示意圖

圖3　錐形封頭示意圖

1.2壓力噴放罐局部應(yīng)力分析［4］

由于局部應(yīng)力的數(shù)值較大，破壞性也比較大，而且很難對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算，故利用ANSYS有限元分析軟件，在壓力噴放罐的正常工作壓力1.8MPa下對(duì)壓力噴放罐的局部應(yīng)力進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示，進(jìn)料口接管處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力229.1MPa，筒體接管處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力151.4MPa，錐形封頭折邊處的應(yīng)力最大值為此處的峰值應(yīng)力94MPa。

1.3壓力噴放罐的疲勞壽命分析［5］

疲勞失效來源于交變循環(huán)應(yīng)力，由應(yīng)力幅與循環(huán)次數(shù)（N）標(biāo)繪的設(shè)計(jì)疲勞曲線如圖4所示。該曲線為抗拉強(qiáng)度σb≤552MPa以及σb=793～896MPa的兩種強(qiáng)度級(jí)別的碳鋼、低合金鋼及鐵素體高合金鋼在10≤N≤106以內(nèi)的設(shè)計(jì)疲勞曲線，使用溫度不超過375℃。該曲線是以材料的疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ)，考慮了平均應(yīng)力修正，取應(yīng)力幅安全系數(shù)為2，取循環(huán)次數(shù)安全系數(shù)為20得出的。縱坐標(biāo)即表示E=210×103MPa的材料許用應(yīng)力強(qiáng)度幅：

若實(shí)際設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量為Et，則設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力強(qiáng)度幅為：

從1.2中的應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，在整個(gè)容器結(jié)構(gòu)中，壓力噴放罐進(jìn)料口接管處應(yīng)力強(qiáng)度最大。因?yàn)檎麄€(gè)設(shè)備中結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的操作狀態(tài)相同，故選擇應(yīng)力強(qiáng)度最大點(diǎn)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)定。此處的峰值應(yīng)力強(qiáng)度最大為SV=229.1MPa 。

圖4　溫度不超過375℃的碳鋼、低合金鋼的設(shè)計(jì)疲勞曲線

正常工作循環(huán)下的應(yīng)力幅值：Salt1= 0.5×229.1= 114.5MPa

由S′alt1在圖4所示的設(shè)計(jì)疲勞曲線上可以查得對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N1=1.77×105次，而n1=10×8760×2=1.75×105次，故n1＜N1。按該臺(tái)設(shè)備的工作要求，其疲勞壽命為N1/（8760×2）=10.1年，因此該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和壽命設(shè)計(jì)是合理的。

2　疲勞試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)裝置與器材

本次疲勞試驗(yàn)是在型號(hào)為CA6140的普通機(jī)床上進(jìn)行的。試驗(yàn)中所用的試樣直徑一端為20mm，另一端為10mm，對(duì)接焊接，直徑為10mm的一端長(zhǎng)度為120mm，變徑部分圓滑過渡，材料為16MnR，與實(shí)際結(jié)構(gòu)的材料一致，且與實(shí)際結(jié)構(gòu)具有相同的機(jī)械加工工藝。試樣為光滑試樣，數(shù)目為5根。

2.2試驗(yàn)過程

測(cè)定時(shí)，將試樣直徑為20mm的一端卡于機(jī)床主軸上，通過刀架在試樣的自由端施加力F，使得焊縫處的應(yīng)力達(dá)到119.6MPa。在本次試驗(yàn)所用的機(jī)床上，為了能準(zhǔn)確地在試樣的自由端施加力F，需要計(jì)算出在力F（機(jī)床刀架）作用下試樣自由端的位移，即撓度。整個(gè)裝置的受力情況可以簡(jiǎn)化成懸臂梁的形式如圖5所示。

圖5　試件受力簡(jiǎn)化圖

依據(jù)橫力彎曲時(shí)的正應(yīng)力公式［6］：

試樣自由端的撓度ω= -F3/3Ez，將F的計(jì)算值代入該式，可算得ω= -0.74 mm。

試驗(yàn)過程中，首先測(cè)定每根試樣從開始旋轉(zhuǎn)到斷裂所用的時(shí)間，然后依據(jù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速計(jì)算出每個(gè)試樣斷裂所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)周數(shù)（循環(huán)次數(shù)），最后再與有限元分析計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.3試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速選為1470r·min-1，每個(gè)試樣在機(jī)床上旋轉(zhuǎn)斷裂所用的時(shí)間以及經(jīng)計(jì)算所得到的試樣斷裂所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)周數(shù)（循環(huán)次數(shù)）見表1。

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1中的數(shù)據(jù)來看，此時(shí)焊縫處的應(yīng)力為119.6MPa，從圖4所示的設(shè)計(jì)疲勞曲線上可以查得對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為1.77×105次，乘以循環(huán)次數(shù)的安

表1　試樣斷裂所經(jīng)歷的旋轉(zhuǎn)周數(shù)

全系數(shù)20為3.54×106次，與表中的數(shù)據(jù)相比較基本吻合，說明了壓力噴放罐疲勞壽命分析和計(jì)算的正確性。從試樣疲勞斷口可以觀察到，斷口分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)光滑，一個(gè)粗糙。因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展過程中，裂紋的兩個(gè)側(cè)面在交變載荷作用下時(shí)而壓緊，時(shí)而分開，多次反復(fù)，這就形成斷口的光滑區(qū)。斷口的顆粒狀粗糙區(qū)則是最后突然斷裂形成的。

［1］ 邵國(guó)華，等. 超高壓容器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 劉鴻文.材料力學(xué)：下冊(cè)［M］.北京：高等教育出版社，1992.

［3］ H. J.Gough. The Fatigue of Metals［M］. London： Scott. Greenwlld and Son， 1924.

［4］ 葉先磊. ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［5］ 劉鴻文.材料力學(xué)（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］ 劉鴻文.材料力學(xué)：上冊(cè)［M］.北京：高等教育出版社，1992.

Fatigue Analysis of Pressure Pot

QIN Fu-you1， DU Si-hong2
（1.Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing， Zhengzhou 450016 China；
2.China Nuclear Power Engineering Co. Ltd.， Zhengzhou Branch， Zhengzhou 450052， China）

By finite element， a fatigue was analyzed for a pressure pot. Through test， result was proved.

pressure pot； finite element； fatigue analysis； fatigue test

TH 49

B

1671-9905（2016）08-0063-03

秦富友，男，就職于河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，主要從事鍋爐、壓力容器、壓力管道的檢驗(yàn)和研究工作。電話：13633829625

2016-06-07