壓力容器一直被廣泛應(yīng)用于石油、化工、機(jī)械、核工業(yè)、航天等各個(gè)行業(yè)。由于壓力容器在承壓狀態(tài)下工作，并且所處理的介質(zhì)多為高溫或易燃易爆，一旦發(fā)生事故，將會(huì)對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失。

而隨著石油化工及其他行業(yè)的迅速發(fā)展，許多壓力容器要承受交變載荷，例如頻繁開(kāi)停工、壓力波動(dòng)、溫度變化等，使得容器中應(yīng)力隨著時(shí)間成周期性或無(wú)規(guī)則變化。生產(chǎn)規(guī)模的大型化和高參數(shù)（高壓、高溫、低溫）也使得高強(qiáng)度材料廣泛應(yīng)用于壓力容器，這些因素的組合造成了壓力容器發(fā)生疲勞失效的事故增加。

一、循環(huán)的基本特性

以單向應(yīng)力狀態(tài)為例，主應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律見(jiàn)圖1，符號(hào)σmax和σmin表示循環(huán)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，循環(huán)特性用r=σmin/σmax表示。任何一個(gè)應(yīng)力循環(huán)都可以看作由不變的平均應(yīng)力σm=0.5(σmax+σmin)和應(yīng)力幅σa=0.5(σmax-σmin)按對(duì)稱循環(huán)變化的應(yīng)力疊加的結(jié)果。

二、設(shè)計(jì)疲勞曲線

JB 4732-1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提供的設(shè)計(jì)疲勞曲線（S-N曲線）是基于光滑試件疲勞數(shù)據(jù)，考慮了平均應(yīng)力、溫度、環(huán)境等影響，對(duì)應(yīng)力幅取2的安全系數(shù)，疲勞壽命取20（數(shù)據(jù)分散度2×尺寸因素2.5×表面粗糙度及環(huán)境因素4）的安全系數(shù)得到的。

設(shè)計(jì)疲勞曲線需要注意：

• 結(jié)合疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)后，可對(duì)焊接件或其他缺口進(jìn)行疲勞評(píng)定；
• 安全裕度是通過(guò)安全系數(shù)確定的，是固定的，并非按統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定，即失效概率未知；
• S-N曲線是基于材料的，每一類材料對(duì)應(yīng)一條曲線。

三、影響疲勞壽命的因素

平均應(yīng)力的影響：

疲勞曲線是在循環(huán)特性r=-1的情況下得出的，而實(shí)際工作中的壓力容器很少在對(duì)稱循環(huán)載荷下工作，因此就存在一個(gè)平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響問(wèn)題。

平均應(yīng)力究竟對(duì)疲勞壽命帶來(lái)什么樣的影響，這是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。一般定性說(shuō)：在給定的加載幅值下，拉伸平均應(yīng)力使壽命縮短，而壓縮平均應(yīng)力可使壽命增長(zhǎng)。

標(biāo)準(zhǔn)中提供給設(shè)計(jì)者的S-N疲勞曲線都是已經(jīng)計(jì)及了平均應(yīng)力的影響。在疲勞分析中，靜止的應(yīng)力如何考慮？

標(biāo)準(zhǔn)中明確“只需考慮由規(guī)定的運(yùn)動(dòng)循環(huán)所引起的應(yīng)力，而無(wú)需考慮在循環(huán)中不變化的任何載荷或溫度狀態(tài)所產(chǎn)生的應(yīng)力，因?yàn)樗鼈兪瞧骄鶓?yīng)力，而平均應(yīng)力的最大可能影響已包含在疲勞設(shè)計(jì)曲線中”。因此，在使用S-N曲線時(shí)，只需要用應(yīng)力的波動(dòng)部分和許用應(yīng)力幅相比較，而不必去考慮在循環(huán)中不變的應(yīng)力。

容器結(jié)構(gòu)：

應(yīng)力的大小對(duì)壓力容器的疲勞壽命起決定性的作用。結(jié)構(gòu)中有可能引起應(yīng)力集中的部位，都會(huì)影響容器的疲勞壽命。應(yīng)力集中導(dǎo)致容器疲勞承載能力降低的程度可用疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)Kf 來(lái)表示，Kf 的定義為：

Kf 和應(yīng)力集中系數(shù)Kt 不一樣，Kt 僅反映結(jié)構(gòu)局部不連續(xù)的特性，而且僅指結(jié)構(gòu)全部處于彈性狀態(tài)時(shí)的特性；而Kf 的大小不僅與Kt 有關(guān)，而且還與應(yīng)力梯度、材料、載荷類型有關(guān)。

容器表面性能：

疲勞裂紋一般在容器表面上形核，容器表面狀態(tài)對(duì)疲勞壽命有顯著影響。粗糙表面上的溝痕會(huì)引起應(yīng)力集中，改變材料對(duì)疲勞裂紋形核的能力。殘余應(yīng)力會(huì)改變平均應(yīng)力和容器的疲勞壽命。壓縮殘余應(yīng)力可以提高疲勞壽命，拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞壽命。提高容器的表面質(zhì)量、在表面引入壓縮殘余應(yīng)力都是提高壓力容器疲勞壽命的有效途徑。

環(huán)境因素：

溫度會(huì)影響容器疲勞壽命。在低于材料蠕變溫度的范圍內(nèi)，溫度升高，容器的疲勞壽命下降，但不嚴(yán)重，可以通過(guò)溫度對(duì)材料彈性模量的影響來(lái)反映。如果溫度超過(guò)蠕變溫度，容器受蠕變和交變載荷聯(lián)合作用，情況會(huì)變得非常復(fù)雜，目前尚缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)溫度低于剛才蠕變溫度。

腐蝕性介質(zhì)對(duì)容器的腐蝕表現(xiàn)在使容器表面的粗糙度增加、降低材料抗疲勞性能以及減小容器有效承載截面、提高實(shí)際工作應(yīng)力，從而使得容器的疲勞壽命大大降低。腐蝕與交變載荷聯(lián)合作用所引起的腐蝕疲勞是壓力容器最危險(xiǎn)的失效形式之一，但由于腐蝕介質(zhì)的多樣化，使得腐蝕和交變載荷共同作用下的研究變得非常復(fù)雜，尚未形成規(guī)范，因而分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中未考慮腐蝕對(duì)鋼材抗疲勞性能的影響。

采用豪克能超聲沖擊技術(shù)對(duì)容器焊縫進(jìn)行超聲波沖擊，去除焊接應(yīng)力達(dá)到80%以上，同事預(yù)置壓應(yīng)力，改變應(yīng)力場(chǎng)，增強(qiáng)實(shí)際屈服強(qiáng)度，有效防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂！