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压力容器焊接接头疲劳评定方法分析

作者：冯熔

来源：《科技与创新》2016年第15期

摘 要：在进行压力容器焊接的过程中，对接头进行疲劳评定有极其重要的意义。从焊接对压力容器接头疲劳强度的影响入手，探究了压力容器焊接接头疲劳评定的方法。 关键词：压力容器；接头疲劳评定；非焊接缺口；裂纹

中图分类号：TG407 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.113

随着我国工业化进程的不断推进，社会生产的规模和效率得到了较大的提升。在工业生产中，机械设备常会受到高温和高压的考验。一旦设备出现疲劳，就会影响到设备的安全性。压力容器作为工业生产中应用最为广泛的关键性设备，常受到多种形式的疲劳载荷的影响，进而导致设备的安全运行受到影响。因此，在压力容器焊接的过程中，加强对焊接接头疲劳强度的评定工作十分重要。

1 焊接对压力容器接头疲劳强度的影响

当压力容器出现疲劳破坏时，往往是从应力集中的部位开始的。一般而言，压力容器应力最集中的区域为开孔接管等拐角的堤防，这也是在进行静强度以及抗疲劳设计过程中需要关注的重点区域。实际上，决定压力容器疲劳强度的最关键的部位就是焊接时的接头，即使非焊接区域内存在非焊接缺口，压力容器的疲劳失效依然会产生在焊接时的接头部位，而不是母材的缺口区域。虽然焊接接头区域的静强度不比母材低，但这一区域本身的疲劳强度却与母材有较大的差别。这主要是因压力容器焊接过程中采取的特殊性焊接工艺造成的不良影响。在焊接过程中，使用不恰当的焊接工艺会导致焊接接缝出现余高、错边和变形等现象，进而形成应力集中区域。虽然焊接中出现的缺陷，比如裂纹、未焊透或气孔等对材料的静强度造成的影响较小，但也会影响接头的疲劳性能。裂纹的尖端会成为最严重的应力集中源。此外，在焊接时，焊接残余的应力可能会致使焊接裂纹处于张开状态，这对疲劳强度有不利影响。 2 压力容器焊接接头疲劳的评定方法

在我国现行的规范规准中，对焊接疲劳进行评定的规定较少，导致压力容器出现疲劳破坏的现象时有发生。因此，压力容器制造企业要想获得长远的发展，就必须加强对压力容器焊接接头疲劳评定方法的重视。较为常见的容器焊接接头疲劳评定方法有以下几种。 2.1 ASME Ⅷ-2和JB4732 2.1.1 概念

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在以往的ASME Ⅷ-2中，主要使用光滑圆棒疲劳曲线对压力容器焊接接头进行疲劳强度评定，并且与疲劳强度减弱的系数相结合，可分析焊接的影响。这一方法中，主要认为总当量的应力在疲劳评定过程中起着决定性的作用。然而，由于这种评定方法采用的是S-N曲线充当光滑圆棒应变疲劳曲线，从根本上看仍旧属于局部法，而不是缺口应力方法。

对于压力容器焊接接头而言，采用疲劳强度减弱系数对应力出现的范围进行反复调整，并用调整之后的总当量应幅进行曲线设计。同时，在我国现行的规范中，同样采用这样的方法对压力容器焊接接头疲劳强度进行评定。除了ASME Ⅷ-2中的疲劳强度减弱系数的推荐值比JB4732更加详细之外，这两种方法在进行评定时所使用的疲劳减弱系数并没有太大的差别。 2.1.2 疲劳强度减弱系数

所谓“疲劳强度减弱系数”，主要是指分析局部结构对疲劳强度造成的不连续应力放大系数得到的结果。疲劳强度减弱系数主要是通过对压力容器焊接接头进行疲劳试验所确定的。一般而言，在相同寿命条件之下，光滑圆棒的疲劳强度与焊接接头疲劳强度的比值就是疲劳强度减弱系数。因此，疲劳强度减弱系数与这两者的疲劳曲线有着密切的联系。具体实施步骤如图1所示。

2.1.3 优势与局限

在对压力容器焊接接头进行疲劳评定的过程中，ASME Ⅷ-2疲劳曲线得到了较长时间的应用。经过不断的完善，这一曲线与疲劳强度减弱系数可适用于绝大多数的接头疲劳评定。但根据有关疲劳理论，对母材疲劳寿命产生关键性影响的阶段为裂纹初始期，而对焊接接头疲劳寿命造成重要影响的为裂纹扩散期。因此，单纯的利用疲劳减弱系数与疲劳曲线的结合对压力容器焊接接头进行疲劳评定具有一定的局限性。 2.2 EN13445焊接疲劳评定 2.2.1 应力参量的选择

EN13445焊接疲劳评定方法出现在ASME疲劳设计方法之后，通过利用进行真实焊接接头试验所得到的疲劳曲线对接头疲劳进行评定。在EN13445焊接疲劳评定中，在使用焊接疲劳曲线的过程中，可采用不同的应力对不同接头失效位置进行评定。对于直接承受负荷的角焊缝而言，疲劳裂纹开始出现在焊接根部，并沿着焊喉的方向延伸穿透，导致接头疲劳损坏。因此，在进行疲劳评定时，需要根据焊喉截面中的平均应力计算。但在绝大多数情况下，疲劳裂纹常由接头焊趾或焊缝表面开始。当出现这种现象时，较为合理的就是使用“结构热点应力”计算。因此，EN13445中所使用的焊接疲劳评定方式又可以称为“热点应力法”。 2.2.2 疲劳曲线的设计

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在EN13445中进行疲劳曲线设计时，需要做好科学的分级。一般可以分为10条不同等级的疲劳曲线，疲劳等级主要由焊接接头的形式、失效的位置等共同确定。这就使得对同一个焊接接头进行评定时，需要根据不同的疲劳等级曲线以及应力进行多次评定，以确保压力容器焊接接头疲劳评定的准确性。但在这一过程中需要注意的是，当将当量结构作为标量时，如果不考虑受载方向的影响，则可使用疲劳等级较低的一条曲线。同时，EN13445理论认为，焊接接头的疲劳强度与材料强度之间没有相关性。因此，在考虑疲劳曲线设计时，需要做好系数的修正工作，并计算好所需的应力，从而提高疲劳曲线设计的合理性。 2.2.3 优势与局限

EN13445是在焊接时间的基础上进行焊接疲劳评定的，对压力容器疲劳设计方法进行了重大的改进，具有一定的先进性，但是在焊接疲劳等级的评定中具有一定的主观性。而基于热点应力计算时又缺乏一定的理论基础，导致热点应力在压力容器焊接接头疲劳评定中的应用十分有限。 3 结束语

综上所述，随着时代的发展，压力容器在工业生产中得到了广泛应用，但在应用过程中常会出现疲劳破坏的现象，对设备的安全运行造成了不利影响。因此，在压力容器的生产过程中，需要做好焊接接头的疲劳评定工作，采用多种评定方法提升压力容器焊接接头疲劳强度检测的精准度，从而确保压力容器的安全运行。 参考文献

[1]刘威.压力容器焊接接头疲劳评定方法研究[D].杭州：浙江大学，2015. [2]夏治安.压力容器焊接接头疲劳强度分析[J].科技传播，2013（03）.

[3]谭蔚，王泽军.EN13445压力容器疲劳评定方法及其应用[J].压力容器，2013，30（01）. 〔编辑：张思楠〕