壓力容器的疲勞壽命分析

丁慧娟

（菏澤華昌機(jī)械科技有限公司，菏澤 274000）

壓力容器的疲勞壽命分析

丁慧娟

（菏澤華昌機(jī)械科技有限公司，菏澤 274000）

壓力容器疲勞壽命分析常用的分析方法包括蒙特卡羅模擬法、一次二階鉅法、改進(jìn)的一次二階鉅法。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該結(jié)合具體需要合理選擇，做好疲勞壽命分析工作，為壓力容器更為有效運(yùn)營(yíng)和發(fā)揮作用奠定基礎(chǔ)。

壓力容器疲勞壽命分析蒙特卡羅模擬法一次二階鉅法

引言

石油、化工、冶金等領(lǐng)域，為保證各項(xiàng)工作順利進(jìn)行，合理設(shè)置和利用壓力容器是必要的，它是重要的工藝設(shè)備。同時(shí)，為促進(jìn)其作用有效發(fā)揮，保證壓力容器處于良好性能和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，進(jìn)行疲勞壽命分析是必要的。文章將探討分析壓力容器疲勞壽命分析的意義，介紹具體的分析方法，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行解釋說(shuō)明，希望能為實(shí)際工作有效開(kāi)展提供啟示。

1　壓力容器疲勞壽命分析的意義

實(shí)際工作中，采取有效方法，對(duì)壓力容器疲勞壽命進(jìn)行分析是必要的，其重要作用體現(xiàn)在以下方面：

（1）避免連接處失效。壓力容器在使用過(guò)程中，開(kāi)停車(chē)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，出現(xiàn)溫度和流體振動(dòng)、腐蝕介質(zhì)，構(gòu)件連接處疲勞失效，制約其作用發(fā)揮和綜合性能提升。導(dǎo)致這些問(wèn)題出現(xiàn)的原因是，表面存在微小裂紋，受到交變荷載的影響，再加上未能及時(shí)采取有效的預(yù)防和控制措施，使得裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，面積繼續(xù)擴(kuò)大，數(shù)量不斷增多。不僅影響外形美觀(guān)，還降低壓力容器的綜合性能，縮短使用壽命，需要采取改進(jìn)和完善措施。

（2）提高壓力容器質(zhì)量。為促進(jìn)壓力容器有效發(fā)揮作用，采取相應(yīng)措施，提高壓力容器的質(zhì)量是十分必要的。常用確定性的疲勞斷裂力學(xué)方法分析疲勞壽命，詳細(xì)掌握容器性能和質(zhì)量狀況。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能存在的裂紋，確保壓力容器有效運(yùn)營(yíng)和發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)提升壓力容器綜合性能的目的。

2　壓力容器疲勞壽命分析的方法

隨著經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和技術(shù)發(fā)展，疲勞壽命分析的方法不斷增多，其應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。具體來(lái)說(shuō)，主要包括以下幾種方法：

（1）蒙特卡羅模擬法。該方法又稱(chēng)為隨機(jī)模擬法或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)法，在分析壓力容器疲勞壽命方面具有重要意義，對(duì)各項(xiàng)工作順利開(kāi)展具有積極作用。具體應(yīng)用中，根據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣理論，利用計(jì)算機(jī)研究隨機(jī)變量。已知狀態(tài)變量概率分布并結(jié)合狀態(tài)函數(shù)，用蒙特卡羅模擬法的隨機(jī)數(shù)代入狀態(tài)函數(shù)計(jì)算隨機(jī)數(shù)。同時(shí)計(jì)算得出個(gè)狀態(tài)函數(shù)隨機(jī)數(shù)，從而更好滿(mǎn)足實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器壽命的全面分析，掌握壓力容器基本狀態(tài)。

（2）一次二階鉅法。計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)該模型實(shí)際情況采取有效的計(jì)算方法，更為細(xì)致全面的掌握壓力容器的質(zhì)量狀況。按照可靠性理論求得極限狀態(tài)方程，設(shè)各變量不相關(guān)，求出隨機(jī)狀態(tài)變量均值、標(biāo)準(zhǔn)差。進(jìn)而分析計(jì)算零件的可靠性指數(shù)和失效概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器疲勞壽命的全面分析，掌握壓力容器綜合性能和基本狀態(tài)。

（3）改進(jìn)的一次二階鉅法。在一次二階鉅法的基礎(chǔ)之上，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，從而更為細(xì)致全面的開(kāi)展計(jì)算和分析工作，并用傳統(tǒng)可靠性理論求解。具體步驟如下：求隨機(jī)變量的均值或標(biāo)準(zhǔn)差，選擇初值，計(jì)算方向余弦，求出零件的可靠性指數(shù)和零件的失效概率。從而順利完成計(jì)算和分析任務(wù)，全面掌握壓力容器的基本狀態(tài)。并對(duì)存在的不足改進(jìn)和完善，保證壓力容器處于良好性能和工作狀態(tài)。

3　壓力容器疲勞壽命分析的實(shí)例

為了對(duì)疲勞壽命分析有更為全面的了解，下面將通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行探討分析。

（1）容器簡(jiǎn)介。某壓力容器用7079-Tb鋁合金制作，內(nèi)徑508mm，壁厚25.4mm，工作壓力循環(huán)0～21MPa。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢測(cè)和全面分析，對(duì)壓力容器的綜合性能有全面了解。檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)壁沿母線(xiàn)方向有半橢圓的表面裂紋，根據(jù)實(shí)際處理工作需要，現(xiàn)計(jì)算分析該壓力容器的疲勞壽命見(jiàn)表1。為采取措施修復(fù)表面裂紋，提高其質(zhì)量和綜合性能創(chuàng)造條件。

表1　基本隨機(jī)變量的均值與方差

（2）計(jì)算機(jī)編程步驟。輸入已知數(shù)據(jù)，用蒙特卡羅模擬法抽取隨機(jī)變量值，計(jì)算剩余壽命值并得出均值和標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算壓力容器疲勞壽命（圖1），繪制失效概率曲線(xiàn)（圖2），方便對(duì)壓力容器綜合性能進(jìn)行全面分析。當(dāng)初始裂紋尺寸為1.0mm時(shí)，蒙特卡羅模擬法、一次二階鉅法、改進(jìn)的一次二階鉅法計(jì)算得到的疲勞壽命分別為 16619循環(huán)、15568循環(huán)、16000循環(huán)。當(dāng)初始裂紋尺寸為2.0mm時(shí)，蒙特卡羅模擬法、一次二階鉅法、改進(jìn)的一次二階鉅法計(jì)算得到的疲勞壽命分別為9702循環(huán)、7680循環(huán)、8698循環(huán)。不同方法得出的計(jì)算結(jié)果存在差異，實(shí)際工作中應(yīng)該明確這種差異，做好全面分析工作。當(dāng)3種方法計(jì)算所得疲勞壽命為50 000循環(huán)時(shí)，失效概率接近96%；疲勞壽命15 000循環(huán)時(shí)，失效概率接近9%。

圖1　不同初始裂紋尺寸的疲勞壽命曲線(xiàn)

圖2　失效概率曲線(xiàn)

（3）分析和討論。雖然三種方法所得的計(jì)算結(jié)果不完全一致，但比較接近。初始裂紋尺寸增大，疲勞壽命減??；疲勞壽命增加，失效概率增大。這是計(jì)算分析工作中需要認(rèn)識(shí)的問(wèn)題，應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行合理把握和控制。蒙特卡羅模擬法的計(jì)算工作量大，循環(huán)次數(shù)多，需要消耗大量的時(shí)間；一次二階鉅法計(jì)算簡(jiǎn)單，但精準(zhǔn)度稍差；改進(jìn)的一次二階鉅法循環(huán)次數(shù)少，收斂比較快。整體上講，蒙特卡羅模擬法和改進(jìn)的一次二階鉅法計(jì)算精準(zhǔn)度高，具體選用中應(yīng)該對(duì)此進(jìn)行綜合全面考慮。

4.　結(jié)束語(yǔ)

總之，采取有效方法，做好壓力容器疲勞壽命分析工作是十分必要的。實(shí)際工作中應(yīng)該結(jié)合具體需要合理選用相應(yīng)的方法，重視壽命分析，進(jìn)而全面掌握壓力容器基本情況。并對(duì)存在缺陷及時(shí)處理，保證壓力容器處于良好性能和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，使其更為有效的發(fā)揮作用。

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Analysis on Fatigue Life of Pressure Vessel

DING Huijuan
（Hua Chang Machinery Technology Co.，Ltd.，Heze 274000，China）

The fatigue life of pressure vessel analysis commonly used analytical methods include Monte Carlo simulation method，a second-order major method，improved a second-order major method. Practical application should be combined with the specific needs of a reasonable choice，a good job of fatigue life analysis play a role in laying the foundation for a more effective operation of pressure vessel.

pressure vessel，fatigue life analysis，Monte Carlo simulation method，second order major method