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峰值应力破坏问题

8已有 276 次阅读  2022-06-14 15:42

中国石油化工集团公司工程建设管理部《压力容器设计人员培训教材》5-4.6(4)

(4)峰值应力破坏问题

在此所谓的峰值应力是通过疲劳形式破坏的过程,是指材料在塑性状态下的失效行为。它并不适用于材料发生脆性断裂的情况。

当材料在发生脆性断裂时,无论一次应力,二次应力和峰值应力都是同样起破坏作用的。只要局部区域的应力总值达到某一数值,即可能形成裂纹,并不断扩展引起脆断。所以在有脆性破坏可能的情况下,即使不存在疲劳的可能,但对结构的峰值应力也要予以消除。为此对低温容器(在不存在疲劳操作的情况下)要采取消除峰值应力的措施:如对接管端部等结构突变处打磨圆角,防止焊缝咬边等。

同样对屈强比高的高强钢(抗拉强度>540MPa)和CrMo钢等对脆性较敏感的材料制造的容器也要求对接管端部等打磨圆角及限制焊缝咬边等。其目的都是为了避免峰值应力的存在,以降低结构的总应力水平,对防止材料脆断是很重要的。

此外,对存在应力腐蚀情况的容器。由于应力腐蚀主要与应力的大小相关:材料在高应力下会引起金属晶格的扭曲,降低电极电位,造成应力腐蚀。与应力的性质(一次、二次、峰值)关系不大,故从防止应力腐蚀的角度出发,也应尽量消除高应力(峰值应力)的存在,故对容器的高应力部位应进行打磨圆角等处理,以消除峰值应力,降低材料的总应力,提高设备的抗应力腐蚀的能力。

为全面降低容器结构中的高应力,防止脆断等的发生。容器上另一个必须消除的高应力源是焊接残余应力。焊缝残余应力是不可避免的,其应力水平很高,且焊接应力随板厚更甚,根据试验测定,这种应力水平可达到材料的屈服限。如此高的应力对存在脆断及应力腐蚀可能的容器是必须避免的。为此对低温容器和高屈强比的塑性并不很好的材料制造的容器及有应力腐蚀可能的容器,往往要求进行焊后消除应力的热处理。

但反过来,焊接残余应力,虽然可能很高,但它是焊接过程残留的,不会发生交变,其对容器的疲劳破坏来说,并不产生大的影响。材料疲劳破坏过程主要与交变应力的应力波动幅值有关。而残余应力并不波动,故对疲劳破坏不会有大的作用。为此对疲劳容器并无进行焊后消除应力的热处理要求。

可见同样对应力来说,它对脆性破坏的影响大于对塑性破坏的影响。在脆性破坏和应力腐蚀时,应力不分一次、二次和峰值,也不分是交变还是“恒定”,只要应力的总值达到一定值,就可能发生脆断,或应力腐蚀。应力对塑性破坏来说,则按应力的性质分为一次、二次、峰值,其破坏还与载荷的交变方式相关,不同加载方式有不同的破坏形式。对峰值应力来说,还必须是交变“频繁”时才起作用,为此对既非低温又无应力腐蚀且也不存在疲劳破坏可能的容器,对峰值应力并不计较,故也就不必要求打磨圆角等。

相比之下,在有脆断可能的情况下,对应力的限制更为严格,故制造要求(如打磨圆角,不允许咬边和进行消除应力热处理)也相对较严。

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