残余应力对有缺陷球壳耐疲劳性能影响试验研究

李 岳，张兴和，李 典，温殿江，姜一昌

（1.大连理工大学 化工机械与安全学院，辽宁 大连 116011；2.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁 大连 116620）

压力容器是承受一定压力的特种设备，用于反应、换热、分离和储存等生产工艺过程，目前大多数压力容器为内部承压容器。受容器使用条件、结构及制造因素等的影响，压力容器的事故率一直较高，造成的危害也非常大。

使用方面，有压力、高温或低温载荷，也可能有疲劳载荷，介质存在腐蚀，在使用中经常因为误操作或化学反应失控引起超压。结构方面，局部应力复杂，如开孔区域或其他不连续区域存在应力集中，局部应力高，如果存在疲劳载荷，这些部位往往容易发生疲劳破坏［1-4］。制造方面，压力容器大多为板焊结构，板材及焊接部位或多或少存在微观缺陷［5-7］。压力容器制造后的无损检测，只能保证所存在的缺陷个数及尺寸不超过相应等级的无损检测要求，并不能保证容器壳体内没有任何缺陷，也不能保证缺陷无漏检。

缺陷是疲劳破坏的根源，疲劳容器缺陷处会有较大应力集中，缺陷设备疲劳寿命与安全性是目前技术研究的重点之一。这方面的研究大多基于有限元应力分析，并通过疲劳寿命曲线对设备的使用寿命进行预测［8-10］，或基于某些评定方法对有缺陷压力容器进行安全评定［11-14］。目前对提高现存缺陷薄壁容器耐疲劳性的研究不多，对于有缺陷的高压、超高压厚壁容器，则较多采用自增强技术提高容器的耐疲劳性［15-20］，利用厚壁壳体的弹塑性变形特点，使内壁保持较大的压缩应力，这样可大幅度降低存在缺陷的内压壳体内壁应力，从而提高疲劳寿命，该技术已广泛用于工程项目。

文中采用钛材薄壁球冠形壳体进行试验，在球冠上预制周向大尺寸槽型缺陷，研究了壳体中存在残余应力和热处理后消除残余应力情况下的壳体耐疲劳性能。

1 缺陷准球冠形薄壁壳体预制及其爆破测试

1.1 预制方法

疲劳试验在有缺陷的准球冠形薄壁壳体试样上进行。试样用钛材薄板爆破预制，准备直径80 mm、厚度0.3 mm圆形钛材薄板1块，用胎具在圆板上压出深度均匀、直径50 mm的圆形减弱槽，然后将圆板置于爆破工装（图1）上，通入1.80 MPa压缩空气，使之发生沿槽开裂的塑性变形而成为准球冠形薄壁壳体（图2）。

图1 准球冠形薄壁壳体制造方法示图

图2 准球冠形薄壁壳体结构示图

采用圆板边缘固定，利用气压使壳体发生塑性变形方法预制的准球冠形壳体，其球冠下部存在1个未穿透的圆形槽，根据经验可以定性预判此槽对球壳的耐疲劳性影响会极大，将使球壳疲劳寿命大幅度降低。另外，壳体的壁厚在预制成形后也比原始材料厚度减薄一些，这种大尺度缺陷和成形方法在实际设备上是不可能存在的。但从残余应力对壳体耐疲劳影响研究的角度考虑，这种塑性变形方法可以在壳体内产生符合研究需要的较大残余压缩应力，此种试验方法因而具有研究上的合理性。

1.2 爆破测试

在对预制的试样进行疲劳试验前，需要先按照疲劳试验目标压力、允许压力偏差、操作压力范围要求进行抽样爆破试验测试，从技术上确保选择的试样满足疲劳试验要求。总共预制了18件有缺陷的准球冠形薄壁壳体，根据概率统计分析方法，只需从中随机抽取3件进行试验，若这3件试样满足要求，则认为剩余15件为满足疲劳试验要求的合格试样。

抽样爆破试验要求的目标爆破压力为2.0 MPa，爆破压力偏差±5%，允许爆破压力为1.90～2.10MPa。爆破试验随机抽样结果及爆破压力见表1。

表1 准球冠形缺陷薄壁壳体随机抽样结果及爆破压力

表1显示，随机抽样结果均满足预定的爆破试验要求，因此可预测剩余15件有缺陷的准球冠形薄壁壳体的爆破压力在1.90～2.10 MPa，满足疲劳试验对试样的要求。

2 有缺陷球壳疲劳试验方法及结果讨论

2.1 样件分组处理

从通过爆破测试确定的15件合格预制准球冠形壳体中随机取10件，在马沸炉中对其进行350℃低温消除残余应力热处理，并在350℃下保温40 min，取出空冷，然后在此10件产品中再随机取5件，逐片安装在图1所示结构中，依次通入1.8 MPa压缩空气进行再次加压，理论上试样会产生二次微变形和残余压缩应力。上述操作将 15 件试样分为 3 组，第 1 组为 1#、5#、10#、16#、18#试样，共5件，为经过低温消除残余应力热处理的样件； 第 2 组为 6#、7#、11#、12#、15#试样，共5件，壳体内有较大残余压缩应力；第3组为3#、4#、8#、13#、17#试样，共 5 件，为经过低温热处理后再一次受压发生轻微变形的试样。

2.2 疲劳试验结果

分别用上述3组试样进行疲劳试验，试验压力0～0.8 MPa，疲劳上限压力保压2 s，3组15个编号试样的疲劳破坏次数见表2。

表2 3组试样极限疲劳破坏次数

2.3 试验结果分析

根据表2计算的第1组试样的平均疲劳破坏次数为541次，第2组的为1 617次，第3组的为1 151次。对比3组试样的平均疲劳破坏次数可见，在相同试验条件下，第2组的约为第1组的3倍，约为第3组的1.4倍；第2组、第3组的约为第1组的2～3倍。

基于试验结果，认为3组试样所代表的3种有缺陷壳体的唯一区别是，350℃热处理基本消除了壳体内残余压缩应力，再一次充压使壳体内又产生了部分残余压缩应力，残余压缩应力最大的是由平板发生塑性变形为球冠形的壳体。结合350℃的低温热处理是无法改变钛材壳体的组织结构这一基本认识，认为壳体内残余压缩应力越大对提高壳体的耐疲劳性越有利。残余压缩应力的作用是，在受内压疲劳时残余压缩应力部分抵消了内压产生的拉应力，使疲劳应力幅大幅度下降，明显提高了壳体的疲劳寿命，所以未经热处理产品具有非常好的耐疲劳性。

从设备耐疲劳角度看，使承受内压的容器壳体内保持一定残余压缩应力对提高设备的疲劳寿命非常有利。对受内压的卷焊压力容器，如果能保证壳体内是残余压缩应力，则不必热处理。无法保证时，必须经过热处理，热处理后必须经过压力试验，使壳体内产生一定残余压缩应力，这对提高容器的耐疲劳性是非常有利的，也许对疲劳容器采用更大的压力试验也是非常必要的。

3 结语

试验研究了有缺陷球壳壳体中存在残余应力和热处理后消除残余应力情况下的壳体耐疲劳性。对试验结果的分析表明，内压壳体中存在一定残余压缩应力会明显提高壳体的疲劳寿命，并且残余压缩应力越大，有缺陷壳体的疲劳寿命越长。经过低温热处理消除残余压缩应力的有缺陷壳体，其疲劳寿命会大幅度降低，所以对经过消除应力热处理的壳体，应进行压力试验以保持壳体内有一定的残余压缩应力，这对提高壳体的疲劳寿命极其有利。