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4.5.5影響壓力容器腐蝕疲勞壽命的主要因素及控制

2021-09-23 15:03:59 作者：工業(yè)小南點(diǎn) 來(lái)源：工業(yè)小南點(diǎn) 分享至：

4.5 腐蝕疲勞

4.5.5 影響壓力容器腐蝕疲勞壽命的主要因素及控制

01.影響因素

1）材料強(qiáng)度

條件疲勞極限同金屬材料在大氣中的力學(xué)性能無(wú)直接的關(guān)系，純機(jī)械疲勞中，可采用的一些提高材料疲勞強(qiáng)度的措施，如提高材料屈服極限或抗拉強(qiáng)度；但材料強(qiáng)度對(duì)腐蝕疲勞的條件疲勞極限影響很小，有時(shí)甚至?xí)鹣喾吹挠绊懽饔谩?/span>

2）力學(xué)因素

腐蝕疲勞與循環(huán)加載的頻率和波形強(qiáng)烈相關(guān)，而在純機(jī)械疲勞中，應(yīng)力交變頻率和波形對(duì)疲勞性能影響甚微。一般說(shuō)來(lái)，循環(huán)加載的頻率越低，每一循環(huán)應(yīng)力與環(huán)境的共同作用時(shí)間愈長(zhǎng)，腐蝕疲勞便愈嚴(yán)重。壓力容器的鋼制受壓元件在產(chǎn)生腐蝕疲勞時(shí)，對(duì)表面微觀幾何特征以及應(yīng)力集中不敏感或較少敏感，這是低周腐蝕疲勞一個(gè)重要特征。

各種類(lèi)型的疲勞斷裂失效均是在交變載荷作用下造成的，因此，載荷的類(lèi)型對(duì)斷口的特征形貌有決定性的影響：

①反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂。構(gòu)件承受彎曲載荷時(shí)，其應(yīng)力在表面最大、中心最小。所以疲勞裂紋總是在表面形成，然后沿著與最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展，彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90°。

單向彎曲疲勞斷口，在交變單向彎曲載荷作用下，疲勞在交變張應(yīng)力最大的一邊的表面起源。

雙向彎曲疲勞斷口，在交變雙向彎曲載荷作用下，疲勞破壞源則從相對(duì)應(yīng)的兩邊開(kāi)始，幾乎是同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展；

②旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的應(yīng)力分布是外層大、中心小，故疲勞源區(qū)在兩側(cè)，兩側(cè)的裂紋擴(kuò)展較快，中心部位較慢，且其疲勞線比較扁平。由于在疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中，軸還在不斷的旋轉(zhuǎn)，疲勞裂紋的前沿向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)。因此，最后的破壞區(qū)也向旋轉(zhuǎn)的相反方向偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度。

③拉-拉載荷引起的疲勞斷裂。當(dāng)材料承受拉-拉（拉-壓）交變載荷時(shí)，其應(yīng)力分布是軸的外表面遠(yuǎn)高于中心。由于應(yīng)力分布均勻，使疲勞源區(qū)的位置變化較大。源區(qū)可以在構(gòu)件的外表面，也可以在零件的內(nèi)部，這主要取決于各種缺陷在構(gòu)件中分布狀態(tài)及環(huán)境因素等；

④扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂，軸在交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口，即鋸齒狀斷口。在雙向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋，分別沿著±45°兩個(gè)側(cè)斜方向擴(kuò)展（交變張應(yīng)力最大的方向），相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口；在單向交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，在相應(yīng)各個(gè)起點(diǎn)上發(fā)生的裂紋只沿45°傾斜方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。

3）環(huán)境因素

腐蝕疲勞不要求特定的材料-環(huán)境組合，溫度、介質(zhì)的腐蝕性、外加電流等對(duì)腐蝕進(jìn)程有影響的因素，對(duì)材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。環(huán)境的腐蝕性增強(qiáng)，腐蝕疲勞強(qiáng)度越低、壽命縮短。

4）材料耐蝕性

耐蝕性較高的材料，抗腐蝕疲勞較好，反之亦然。組織結(jié)構(gòu)和組織的均勻性、夾雜物形狀、表面狀態(tài)等對(duì)材料抗應(yīng)力腐蝕性能有影響的因素都對(duì)材料的抗腐蝕疲勞有顯著影響。

02.壓力容器腐蝕疲勞的控制

1）優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中、加大危險(xiǎn)截面面積等，防止介質(zhì)流動(dòng)引起設(shè)備振動(dòng)，消除管系振動(dòng)對(duì)設(shè)備的影響。

2）消除或減少殘余應(yīng)力，延長(zhǎng)疲勞裂紋的形核期。

3）選用耐蝕材料。

4）金屬表面強(qiáng)化。如噴丸、表面滾壓、鍍鋅或鍍鎘等使金屬表面產(chǎn)生壓應(yīng)力；表面感應(yīng)淬火，提高表面層的強(qiáng)度；表面滲碳、氮化、滲鉻、滲碳化鉻等均可提高腐蝕疲勞抗力。

5）覆蓋層防護(hù)。金屬表面涂鍍各種防腐蝕覆蓋層、熱噴涂耐蝕合金，使腐蝕介質(zhì)與金屬表面隔離。如，當(dāng)有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl腐蝕介質(zhì)存在時(shí)，不管基材強(qiáng)度高或低，表面噴焊都使材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度（107壽命）提高30%以上[1]。

6）保持金屬表面的完整性，提高表面光潔度。

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