承压类特种设备疲劳失效与防治

范楠子

大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司 辽宁大连 116013

承压类特种设备主要用于储运天然气、燃料或原料，是国民经济发展重要的基础装备和生活基础设施，广泛应用于工业、交通、能源、居民生活等领域，在为人民的生活提供方便的同时，也由于其制造、使用、管理等方面的不足发生破坏性极大的伤亡事故。承压类特种设备作为社会生产和生活中不能缺少的基础性设施，涉及生命安全，具有较大危险性，受到非常严格的监督管理，所以承压类特种设备在运行过程中如何保持良好的稳定性是研究的问题[1]。

1 承压类特种设备的失效形式

承压类特种设备失效形式主要分别是刚度失效、泄漏失效、失稳失效以及强度失效，其中最常见的一种失效形式是强度失效，因为工作环境比较特殊，所以带来的后果也会是灾难性的，变形、表面出现损伤以及材料性能老化等是承压类特种设备最常见的失效形式，设计和制造方面的缺陷、不正确的安装过程、运行操作失误以及外力造成的损伤是其失效的主要原因。对于压力容器来说，最常见也是影响最大的损坏失效方式是出现裂纹并且不断扩展，最终形成断裂破坏，例如氢损伤、疲劳断裂等都是比较常见的。疲劳断裂、腐蚀断裂、韧性断裂、脆性断裂以及蠕变断裂是最常见的几种强度失效，通过金相检验可以获得比较直观的判定依据。在制造承压类特种设备的时候，金相检验不仅能判定材料的质量是否达标、热处理工艺是否科学，还可以对材料的显微组织状态进行检查，确定与设计要求是否满足。如果材料出现了开裂的情况，金相检验的结果是帮助分析开裂原因的有效手段。对承压类特种设备进行定期检验的时候，金相检验也能发挥良好的效果，在无损前提下判断材料是否有劣化情况。当有劣化发生的时候，可以现场对其焊缝位置以及材质进行金相复膜，结合其他手段得知材料失效的原因，并且将具体的失效程度显示出来，检验人员就可以为依据进行相应地处理，从宏观检验发展成为了微观检验，对于检验水平的提高助益良多[2]。

2 承压类特种设备疲劳的原因

2.1 疲劳裂纹的断裂

当疲劳裂纹逐渐发展以后，设备器壁的断面就会大幅度降低，裂纹间断位置上的应力的集中程度就会在裂纹逐渐发展过程中明显上升。在裂纹发展到临界位置时，承压类特种设备就会突然出现失稳断裂问题。而设备制造所使用原材料的韧性越好，最后疲劳断裂的程度越大，而韧性较差的原材料，其疲劳断裂的程度反而越小。

2.2 设备疲劳所带来的破坏

疲劳破坏能够分成几种。一是低周疲劳，是指应力较大且其所拥有的交变频率却偏低的疲劳情况。承压类特种设备的疲劳破坏很多都属于低周疲劳范围之内。低碳钢与高合金钢相比较，低周疲劳抗力要高，基于此，为了有效杜绝承压类特种设备发生低周疲劳破坏，在设备制造过程中就首先采取高塑性低碳钢材料。二是应力集中，从承压类特种设备的结构来看，应力通常都集中在几何不连接位置、焊缝位置、材料缺陷位置等，这些位置上的应力在一般情况下都是高出设计应力几倍，甚至超出了设备制造材料自身的最大承载限度。三是荷载反复作用，这种荷载作用主要是设备在使用过程中，因为温度、压力、振动等因素的变化导致。

3 承压类特种设备疲劳问题的防治措施

3.1 合理规划承压类特种设备结构

承压类特种设备在制造过程中，应该对其结构进行合理规划，可以有效增加设备自身的抗疲劳能力，降低应力的集中效应。完善承压类特种设备所包含的布置与固定措施，在那些容易出现振动情况的大型设备周围，布置相关的缓冲装置，可以有效吸收振动波，降低振动对承压类特种设备疲劳所造成的影响，同时还要重视设备在温度荷载作用下所出现的伸缩变形问题，并制定科学有效的补偿方式，保证设备结构的合理性与完整性[3]。

3.2 严格控制产品质量

承压类特种设备在安装过程中，应该严格控制材料质量，避免冶金和轧制质量较差、均匀度低和有一定缺陷的材料，在承压类特种设备安装完成以后会造成疲劳裂纹出现的主要原因。在实际施工过程中，安装单位要尽可能保证设备表面的完整度、光洁度，杜绝设备表面出现焊疤、碰撞与腐蚀等损伤问题，最大程度上确保设备填角焊位置的过渡圆角、半径与表面光滑程度，不断加强设备缝隙焊接质量，在承压类特种设备安装以前开展相关无损检测工作，以此来控制产品质量。

3.3 定期开展检验检测工作

承压类特种设备的疲劳失效基本都是因为反复交变荷载、应力集中过高导致，所以为了有效防治这些问题的出现和发生，就要在设备使用过程中尽可能杜绝频繁加压和卸压操作，还要关注压力波动及较大温度变化等诸多因素。同时，在防治承压类特种设备出现疲劳问题时，为了解决应力集中现象，就要让设备器壁某个位置上所拥有的局部应力低于设备制造材料的屈服强度。另外，若是设备上不可避免的发生了局部位置应力过高的情况，相关单位就可以针对设备开展疲劳分析与设计工作，检验检测设备表面上的应力分布情况，选择科学有效的措施予以解决[4]。

4 结语

随着我国工业化进程的不断推进，承压类特种设备就获得了较大的发展和应用空间。然而，承压类特种设备在实际运行过程中，经常会出现疲劳问题，这些问题会对设备质量及安全性造成严重影响，甚至威胁人们的生命安全。因此，做好承压类特种设备的安全管理工作，针对其存在的疲劳失效问题，制定科学有效的防治措施，用来保证设备的运行安全，有着至关重要的现实意义。