以某泄漏設(shè)備為例探討疲勞分析在設(shè)計中的應(yīng)用

楊 波

（浙江工程設(shè)計有限公司，杭州310000）

近年來，化學工業(yè)的快速發(fā)展，對壓力容器需要承擔的工況要求越來越復(fù)雜，各種使用高強度鋼的特種設(shè)備日益增多，設(shè)計方法也被不斷改進，各種安全系數(shù)在設(shè)計標準中的被不斷的調(diào)低。壓力容器因各種因素的影響導(dǎo)致各種疲勞事故不斷出現(xiàn)，疲勞失效在壓力容器的安全事故統(tǒng)計中占約40%[1]。因此，各國在壓力容器的安全設(shè)計規(guī)范中都明確了基于疲勞分析的設(shè)計方法，以確保設(shè)備在安全使用期限內(nèi)，壓力容器不發(fā)生相關(guān)疲勞失效。在中國使用的是JB 4732－1995標準[2]；美國標準是ASME VIII-2，而歐盟的標準是EN13445。

目前常用的疲勞分析法都使用S-N曲線。而SN曲線就是通過恒福的循環(huán)載荷測定循環(huán)次數(shù)和循環(huán)應(yīng)力幅值相對應(yīng)的材料性能的曲線。通過S-N曲線查到的可循環(huán)次數(shù)與預(yù)計循環(huán)次數(shù)比較，得出該設(shè)備是否符合疲勞分析標準。

明確的塑性變形往往不會出現(xiàn)在壓力容器疲勞破壞時，而在局部高應(yīng)力集中區(qū)往往會發(fā)生斷裂。當設(shè)備的局部集中了相對高的應(yīng)力，其應(yīng)力峰值大于設(shè)備材料的屈服極限，就會出現(xiàn)晶?；疲敳粩嘌h(huán)變化的載荷作用于該局部區(qū)域，滑移的晶粒導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋，這類微裂紋經(jīng)過不斷的積累擴展，最后出現(xiàn)疲勞斷裂。

1 某項目反沖罐的疲勞分析

疲勞分析作為基本設(shè)計方法以應(yīng)力分析法作為根本。在滿足GB 150－2011中關(guān)于一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的相關(guān)要求后，通過查詢S-N疲勞設(shè)計曲線，判斷設(shè)備能否滿足長期安全使用的要求[3]。操作工況、設(shè)備的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、所選用的材料及相應(yīng)性能這些完全確定后，先完成詳盡的應(yīng)力分析，接著進行相關(guān)疲勞設(shè)計。本文就某項目反沖罐出現(xiàn)現(xiàn)場泄漏事故后，重新進行疲勞分析進行討論。

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)備內(nèi)徑Di=1 200 mm，原筒體壁厚δ=6 mm，材質(zhì)為TA2。筒壁上有DN500的人孔，主要進料口為耳座上端筒壁上DN100的進液口。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

按照JB 4732的規(guī)定，不做疲勞分析的次數(shù)為小于1 000次，預(yù)計該設(shè)備實際面臨的壓力循環(huán)次數(shù)遠大于此，所以需要做疲勞分析。

1.2 基本應(yīng)力分析

計算方法按照目前國內(nèi)設(shè)計廠家廣泛使用的SW6.0計算軟件，根據(jù)該設(shè)備的設(shè)計壓力，設(shè)計溫度條件，使用軟件計算得到筒壁最大應(yīng)力為71.04 MPa，小于該設(shè)備所用鈦材在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力即134 MPa。按照GB 150的要求靜設(shè)備設(shè)計時需滿足的3條要求：

1）總體一次薄膜應(yīng)力（Pm）小于設(shè)備材料許用應(yīng)力（Sm），即Pm＜Sm；

2）局部一次薄膜應(yīng)力（PL）加一次彎曲應(yīng)力（Pb）的和小于1.5倍Sm，即Pm+PL＜1.5Sm；

3）局部一次薄膜應(yīng)力（PL）加一次彎曲應(yīng)力（Pb）及二次應(yīng)力強度（Q）之和小于3Sm，即PL+Pb+Q＜3Sm。

該設(shè)備計算合格，但現(xiàn)場該設(shè)備實際使用中存在平均每小時3次的循環(huán)應(yīng)力工況，每次導(dǎo)致筒體內(nèi)存在0～64.59 MPa的變化應(yīng)力，根據(jù)JB 4732的規(guī)定，變化的循環(huán)應(yīng)力大于該設(shè)備鈦材許用應(yīng)力的20%，所以該設(shè)備需要作疲勞分析。

但該設(shè)備設(shè)計時因設(shè)計人員未得知循環(huán)應(yīng)力工況，僅考慮了靜設(shè)備的設(shè)計要求，固在現(xiàn)場運行1.5 a后，出現(xiàn)了泄露的情況?，F(xiàn)場反饋的破壞部位如圖2所示。

圖 1反沖罐結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of back wash tank

圖 2反沖罐失效部位Fig 2 Failure parts of back wash tank

1.3 疲勞分析

目前已知該設(shè)備存在0～64.59 MPa的變化應(yīng)力，故按照JB 4732中規(guī)定其主應(yīng)力的交變應(yīng)力強度幅度Salt=0.5Srij=32.295 MPa。根據(jù)JB 4732附錄C.2.2的要求將對應(yīng)設(shè)計疲勞曲線圖中的Salt乘以圖中給定材料彈性模量和使用材料彈性模量之比，接著在曲線上以該值查詢對應(yīng)的允許循環(huán)次數(shù)N。引用的疲勞曲線如圖3[2]。

圖 3疲勞曲線Fig 3 Fatigue curve

鈦材的彈性模量E1=102.04×103MPa，表中材料的彈性模量E=207×103MPa，

Salt×E/E1=65.5 MPa，查圖3得允許循環(huán)次數(shù)約為6 500次。按照該設(shè)備的壓力循環(huán)情況，即每小時3次變化，可得該設(shè)備允許的安全運行時間為3個月左右，遠低于實際要求的設(shè)計使用年限，故該設(shè)備原來按靜設(shè)備設(shè)計的情況無法滿足疲勞分析，為不合格。

1.4 按疲勞分析設(shè)計進行整改

按疲勞設(shè)計步驟進行反推，按允許使用年限為8年算，預(yù)計循環(huán)次數(shù)為210 240次[4]。查圖3可得允許循環(huán)變化應(yīng)力幅度約為45 MPa。除以彈性模量比后可得允許的鈦材循環(huán)變化應(yīng)力幅度約為22.18 MPa，由此可知最大工作壓力下，筒體的最大應(yīng)力為44.3 MPa，由SW6計算程序反推得出筒壁至少取壁厚10 mm。

3 按疲勞設(shè)計時需考慮的其他問題

疲勞分析主要考慮的載荷方式是不斷變化的應(yīng)力，疲勞破壞為主要的失效形式。所以設(shè)備設(shè)計時，除了考慮設(shè)備的強度破壞，在設(shè)備的結(jié)構(gòu)、制造和檢驗方面有相應(yīng)的特殊要求。

3.1 對容器結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求

承受交變載荷的壓力容器結(jié)構(gòu)，其局部應(yīng)力對能否承受疲勞載荷影響巨大。因此設(shè)計時需要避免容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的不連續(xù)結(jié)構(gòu)。其措施總結(jié)為：1)筒體上的接管盡量正交，避免切向或斜向連接；2)焊接補強結(jié)構(gòu)應(yīng)全焊透；3)應(yīng)力集中嚴重部位需設(shè)置大過渡倒圓；4)接管補強盡可能采用整體補強[5]。

3.2 設(shè)備制造和檢驗要求

設(shè)備的制造，檢驗應(yīng)包含以下的要求：1)不連續(xù)的幾何結(jié)構(gòu)盡量圓滑過渡；容器內(nèi)部填角焊縫需打磨過渡圓角并作表面檢測；2)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，打磨平焊縫余高；3)相應(yīng)焊縫需要作100%的無損檢測；4)對低合金高強度鋼的特種容器作消氫熱處理；5)容器制作完畢后，需按標準作消除殘余應(yīng)力熱處理；6)鋼板和開孔的邊緣需進行焊前著色檢測；7)組裝設(shè)備時不許用強力，嚴格的控制錯邊量；8)材料標記和焊工印記不用硬印[4]。

4 結(jié)束語

在應(yīng)力分析后才能接著進行相關(guān)的疲勞分析。如果只作疲勞分析就會導(dǎo)致設(shè)計、檢測及制造等環(huán)節(jié)上有較高要求，而這樣設(shè)計成本就會大幅提高。交變載荷下的相應(yīng)設(shè)備，在作疲勞分析前先按相關(guān)標準確定是否需要作疲勞分析，如果要做疲勞分析，應(yīng)在進行應(yīng)力分析時需要考慮在設(shè)計、制造和檢驗方法方面作一些特殊的要求。

本文分析的設(shè)備就是在設(shè)計階段忽略疲勞設(shè)計，故而出現(xiàn)了泄露的事故，在以后的設(shè)計中應(yīng)充分考慮疲勞設(shè)計的情況。