壓力容器焊接接頭疲勞評(píng)定方法研究.pdf

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

2、何種方法，有必要首先對(duì)EN13445、ASMEⅧ-2及JB4732中各方法的關(guān)鍵技術(shù)、安全裕度、評(píng)定差異等進(jìn)行系統(tǒng)研究。為對(duì)JB4732修訂工作提供支撐，本文圍繞壓力容器焊接接頭疲勞評(píng)定這一主題，開(kāi)展了以下基礎(chǔ)性研究工作:
　　1)通過(guò)調(diào)研大量標(biāo)準(zhǔn)釋義及原始文獻(xiàn)，首次對(duì)ASMEⅧ-2及JB4732疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)法、EN13445熱點(diǎn)應(yīng)力法、ASMEⅧ-2主S-N法進(jìn)行全面回顧，對(duì)各方法的理論來(lái)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(wèn)題進(jìn)行了清晰梳理，整理出實(shí)施流程圖，并從疲勞驅(qū)動(dòng)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(shí)焊接疲勞曲線，且區(qū)分焊趾與焊根失效，評(píng)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(duì)焊接疲勞評(píng)定中的關(guān)鍵問(wèn)題—應(yīng)力參量計(jì)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(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)有限元網(wǎng)格的敏感性。分析表明，應(yīng)用應(yīng)力積分法時(shí)節(jié)點(diǎn)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(jì)算，并選用高階縮減積分單元以降低網(wǎng)格敏感性;節(jié)點(diǎn)力法對(duì)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(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)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(shí)某些應(yīng)力分量不滿足平衡條件，應(yīng)通過(guò)“有效線性化區(qū)域”外推得到一次加

5、二次應(yīng)力強(qiáng)度。在上述結(jié)論基礎(chǔ)上，針對(duì)有限元建模及應(yīng)力計(jì)算給出相關(guān)建議。
　　3)對(duì)搜集的數(shù)百個(gè)真實(shí)容器焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理及統(tǒng)計(jì)分析，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各評(píng)定方法的評(píng)定差異、安全裕度及壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性幾方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并對(duì)各方法可能存在的問(wèn)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(duì)接頭失效的預(yù)測(cè)最為準(zhǔn)確，但0.4％的