壓力容器焊接接頭疲勞評定方法研究.pdf

1、疲勞設(shè)計是壓力容器設(shè)計方法研究的一個重要領(lǐng)域。近年來，EN13445-3及ASMEⅧ-2在疲勞設(shè)計中逐漸區(qū)分焊接區(qū)域與非焊接區(qū)域，先后單獨給出了焊接接頭疲勞評定方法，但國內(nèi)鮮見有關(guān)介紹及研究。同時，我國JB4732標(biāo)準(zhǔn)仍沿用傳統(tǒng)的疲勞減弱系數(shù)來考慮焊接疲勞影響，設(shè)計人員進(jìn)行疲勞評定時也很少關(guān)注焊接區(qū)域。
　　JB4732的修訂工作已經(jīng)啟動，焊接接頭疲勞評定問題則是關(guān)注的重點之一。為探討我國是否應(yīng)提出新的焊接疲勞評定方法以及具體采用

2、何種方法，有必要首先對EN13445、ASMEⅧ-2及JB4732中各方法的關(guān)鍵技術(shù)、安全裕度、評定差異等進(jìn)行系統(tǒng)研究。為對JB4732修訂工作提供支撐，本文圍繞壓力容器焊接接頭疲勞評定這一主題，開展了以下基礎(chǔ)性研究工作:
　　1)通過調(diào)研大量標(biāo)準(zhǔn)釋義及原始文獻(xiàn)，首次對ASMEⅧ-2及JB4732疲勞強度減弱系數(shù)法、EN13445熱點應(yīng)力法、ASMEⅧ-2主S-N法進(jìn)行全面回顧，對各方法的理論來源、應(yīng)力參量選取、疲勞曲線、厚度及平

3、均應(yīng)力修正、安全系數(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了清晰梳理，整理出實施流程圖，并從疲勞驅(qū)動力和疲勞抗力角度進(jìn)行綜合比較。分析認(rèn)為，三種方法本質(zhì)上都屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，其中疲勞減弱系數(shù)法最便于工程普及，但疲勞減弱系數(shù)的使用缺乏理論依據(jù);EN13445使用真實焊接疲勞曲線，且區(qū)分焊趾與焊根失效，評定體系最為完善;基于斷裂力學(xué)的主S-N法考慮了厚度和載荷模式影響，理論嚴(yán)謹(jǐn)。
　　2)對焊接疲勞評定中的關(guān)鍵問題—應(yīng)力參量計算進(jìn)行研究。以存在應(yīng)力奇異的角接接頭

4、模型為例，考察基于不同方法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力強度計算結(jié)果對有限元網(wǎng)格的敏感性。分析表明，應(yīng)用應(yīng)力積分法時節(jié)點應(yīng)力平均導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏小，應(yīng)選取焊趾前側(cè)的單元應(yīng)力進(jìn)行計算，并選用高階縮減積分單元以降低網(wǎng)格敏感性;節(jié)點力法對單元類型及網(wǎng)格大小均不敏感，即使沿壁厚劃分一層仍能得到正確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果;外推公式對熱點應(yīng)力計算結(jié)果影響不大，但單元類型及尺寸的影響較大;應(yīng)力奇異時某些應(yīng)力分量不滿足平衡條件，應(yīng)通過“有效線性化區(qū)域”外推得到一次加

5、二次應(yīng)力強度。在上述結(jié)論基礎(chǔ)上，針對有限元建模及應(yīng)力計算給出相關(guān)建議。
　　3)對搜集的數(shù)百個真實容器焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理及統(tǒng)計分析，利用試驗數(shù)據(jù)對各評定方法的評定差異、安全裕度及壽命預(yù)測準(zhǔn)確性幾方面進(jìn)行分析評價，并對各方法可能存在的問題做嘗試性探討。分析結(jié)果表明，ASME疲勞減弱系數(shù)法在低周疲勞階段安全裕度充足，但其疲勞曲線高周部分不適用于焊接接頭，疲勞減弱系數(shù)值存疑;EN13445對接頭失效的預(yù)測最為準(zhǔn)確，但0.4％的