刘清方锅炉压力容器安全讲座（17）

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锅炉压力容器的疲劳破裂
    一、金属构件的疲劳
    承受交变载荷的金属构件，在载荷长期反复作用下，即使载荷引起的最大应力不很高，也会导致构件突然破裂，且无明显的塑性变形。人们把这类破裂归之于金属的“疲劳”。疲劳破裂时载荷交变的累计周次N，称为疲劳寿命。疲劳破裂经常发生在高速转动的轮、轴等结构上。
    所谓交变载荷是指载荷的大小、方向分别或同时随时间发生周期性变化的一类载荷，常见的有对称交变和脉动交变两种。对称交变的最大载荷与最小载荷大小相等，方向相反；脉动交变时最大载荷为一定量，最小载荷为零。
    引起疲劳破裂的交变载荷和应力，可以是机械载荷和机械应力，也可以是热（温度）载荷和热应力。
    二、锅炉压力容器的疲劳问题
    锅炉压力容器承受的压力载荷，通常是稳定的，即使波动，一般也频率较低，周期较长，似乎不致于引起疲劳破裂。但实际情况远非如此。据英国在20世纪70年代统计，运行期间容器发生的破裂事故，因疲劳引起的占35.6％；英、美调查的原子能压力容器破裂事故中，疲劳破裂事故占41.7％。
    锅炉压力容器的疲劳是在结构局部高应力、低交变周次下发生的疲劳，叫低周疲劳。其交变载荷引起的最大应力超过材料的屈服点，而疲劳寿命N＝102～104；高速转动的轮、轴发生的疲劳叫高周疲劳，是在
    低应力、高交变周次下发生的疲劳。其交变载荷引起的最大应力在材料屈服点以下，疲劳寿命N≥1×105。
    锅炉压力容器的低周疲劳，是基于以下条件产生的：
    1.存在交变载荷和反复应力。锅炉压力容器承压部件承受的交变载荷及器壁中的反复应力可产生于：
    （1）间歇操作的设备经常进行反复的加压和卸压；
    （2）在运行过程中设备压力在较大范围内变动；
    （3）设备介质温度及器壁温度反复变化，而温度及其变化也是载荷，温度的反复变化会在结构内产生交变的热应力；
    （4）部件强迫振动并引起较大的附加交变应力；
    （5）气瓶多次充装使用，造成瓶内压力及瓶壁应力的反复变化。
    锅炉压力容器载荷的交变一般是脉动交变。
    2.存在较高的局部应力。承压部件的接管、开孔、转角及其他几何形状不连续的部位、焊缝及其他隐含有缺陷的部位，都有程度不同的应力集中。应力集中处的局部应力往往比设计应力大好几倍，可能达到并
    超过材料的屈服点。反复的加载和卸载，将会在应力最大处产生伸缩塑性变形并产生裂纹，裂纹逐步扩展最终导致破裂。
    三、疲劳破裂的基本特征
    1.部件没有明显的塑性变形。承压部件的疲劳破裂，首先是在局部应力较高的部位产生微细裂纹，然后逐步扩展，最后剩余截面上的应力达到材料的抗拉强度而发生开裂。它和脆性破裂相似，一般没有明显的塑性变形。破裂部件的直径没有明显的增大，壁厚也没有明显的减薄。
    2.断口存在两个区域。一个是疲劳裂纹产生与扩展区，另一个是最后破裂区。前者光滑，后者粗糙，光滑区一般有规则的贝壳花样或海滩状条纹，是载荷交变时断口受到反复挤压研磨的结果。
    3.设备常因开裂泄漏而失效。疲劳破裂的承压设备或部件一般不像脆性破裂那样整体破碎，而只是开裂一个破口，使设备或部件因泄漏而失效。开裂部位常是开孔接管或其他应力集中部位、缺陷部位及温度交变部位。开裂泄放的介质如是可燃性的或剧毒性的，造成的后果会十分严重。
    当设备材料强度较高而韧性较低时，疲劳破裂也会造成设备开裂爆炸，其后果更为严重。
    4.部件在多次承受交变载荷后破裂。即疲劳破裂是和交变载荷相关联的，是需要循环交变一定周次和持续一定时间的。疲劳破裂的整个过程要比脆性破裂缓慢得多。
    四、疲劳破裂的预防
    1.在保证结构静载强度的前提下，选用塑性好的材料。相应于一定的交变载荷，低周疲劳寿命取决于材料的塑性，塑性越好，材料的低周疲劳寿命N越大，可用期限越长；
    2.在结构设计中尽量避免或减小应力集中；
    3.在运行中尽量避免反复频繁地加载和卸载，减少压力和温度的波动；
    4.加强检验，及时发现和消除结构缺陷。
    摘自《中国安全生产报》