承受疲劳载荷的压力容器的设计方法综述

前言

强调安全生产一直是当今企业生产的主题。压力容器的安全问题不容忽视，因其涉及生命安全、危险性较大。因此承压设备的安全运行也就成为了一个很重要的问题。化学反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备，而且随着石油化工行业的发展, 工艺上越来越多地使用承受循环载荷的容器。结构在低于静态极限强度的交变载荷的重复作用下出现断裂破坏的现象称为疲劳。据估计，压力容器运行中的破坏有75%以上是由疲劳引起的^[1]。据国外的资料统计, 六十年代以来在压力容器的破坏事故中, 由于疲劳裂纹扩展而引起的破坏约占40%^[2]。因此，疲劳失效问题在压力容器设计中已越来越受到重视。随着对压力容器耐热,耐疲劳,耐腐蚀性能及综合性能的要求提高,疲劳设计的应用地位更加突出。容器疲劳设计的发展也向有针对性、综合因素强的方向发展。压力容器疲劳设计的涉及研究领域越来越广,随着新技术、新材料的不断涌现,疲劳设计在不同领域的应用性进一步深化。变幅载荷下的疲劳裂纹扩展,应力集中下的高周疲劳,分层功能材料的热疲劳,数值模拟,疲劳裂纹扩展,复合材料、聚合物等新型材料的疲劳研究,多轴疲劳和焊接件的疲劳研究^[3,4] 将引起人们更多的兴趣^[5]。

1．结构的S-N曲线和疲劳破坏的机理简介

1.1.结构的S-N 曲线

疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数成为疲劳寿命, 一般用N 表示, 试样的疲劳寿命取决于材料的机械性质和施加的应力水平。这种表示外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料的S-N 曲线。S-N 曲线的左支常用下式表示:

(1)

式中, m和C均为材料常数。材料的疲劳极限和S-N 曲线, 只能代表标准光滑试样的疲劳性能。实际结构的尺寸形状等各式各样, 因此必须综合考虑结构的尺寸、形状表面加工方法和应力集中系数等因素^[6]。

1.2疲劳破坏的机理简介