一台缓冲器进气管角焊缝疲劳裂纹机理分析

一台缓冲器进气管角焊缝疲劳裂纹机理分析

李俊锋史万义

河南省锅炉压力容器检验检测研究院新乡分院453000

摘要：我国化肥企业在制造尿素过程中，多数采用多级压缩技术，将常压介质CO2提升到规定压力进行化学反应，缓冲器作为主要设备，因设备结构设计原因，导致实际生产中，缓冲器进气管角焊缝出现疲劳裂纹。本文试分析其发生机理和影响因素，并提出相应改进措施，从而企业在实际生产有一定的借鉴意义。

关键词：缓冲器进气管角焊缝疲劳裂纹机理

我国化肥企业在制造尿素过程中，多数采用多级压缩技术，将常压介质CO2提升到规定压力进行化学反应，缓冲器是压缩车间的主要设备，2015年6月15日在某化工有限公司压力容器定期检验中，发现一台缓冲器进气接管角焊缝多次私自补焊，长度约160mm，焊脚高度6.8mm，无相应的修理资质和相关告知手续。

一、设备基本情况

该设备产品编号1146-7，由沈阳气体压缩机厂设计，图纸丢失，图号不详，辽阳金属结构厂1991年10月制造，1997年7月投入使用。主体结构形式为球形，容积0.07M3，内径520mm，高995mm，设计压力2.97MPa，设计温度100℃，材质为1Cr18Ni9Ti，介质为CO2，球体壁厚为12mm，进气口接管壁厚8mm，直径89mm,长度475mm，实际使用18年。（附图）

二、设备的检验情况

该缓冲器在压缩机上方并且紧邻压缩机，随压缩机呈周期性低频振动，故初步判断为因机械振动疲劳而产生的机械疲劳裂纹。后经内窥镜检查内表面，接管和球体连接处有磨损损伤，内表面粗糙不平，有一条微型沟槽长度8mm,最大深度约1.3mm，焊接部位几何形状不整齐、不连续导致应力高度集中。疲劳裂纹断口附近存在两个明显区域：一个是裂纹聚集和扩展区，一个是最终断裂区，压力容器的应力变化周期较长，裂纹发展缓慢。有些纹路比较清晰，可以依据纹理的走向找到裂纹的起始点，裂纹的起始点和断裂口其他地方的形态不同，起点的位置往往是应力集中的地方，通常出现在容器内壁接管角焊缝，焊接时容器内的高压、高速的气流导致的磨损、冲蚀等地方。

三、疲劳裂纹有别于其他损伤模式的特点

由疲劳损伤导致的容器破裂，往往观察不到明显的塑性变形，直径没有明显变大，壁厚也没有减薄。这和塑性变形、腐蚀破裂完全不同，在疲劳破裂发生的部位，通过仔细观察，会发现存在疲劳裂纹。疲劳裂纹分布在容器局部应力集中位置，在容器使用中，在应力集中部位容易产生微裂纹，这些微裂纹在设备周期振动和高压的双重作用下，逐渐发展并最终形成宏观裂纹。在此过程中，压力容器内的总体应力水平并不高，金属材料仍处于弹性范围内，所以疲劳损伤时容器外观不会有肉眼可见的变形。

四、疲劳裂纹的机理

设备或构件在振动载荷、或不稳定流体等动态载荷作用下，引起了交变应力，由于载荷和环境侵蚀的联合作用，会产生微小的裂纹源，随着时间的延长而逐步扩展，裂纹的尺寸逐渐扩大，金属结构的剩余强度逐渐减少，最后导致贯穿性断裂。疲劳裂纹的萌生从宏观上而言，总是起源于应力集中区、高应变区、强度最弱的金属基体，以及工件结构拐角、加工切削、焊缝熔合区、腐蚀坑等区域、从微观而言，可分为滑移带开裂、晶界开裂、非金属夹杂与基体界面开裂等三种。

五、疲劳裂纹扩展速率的机理和影响因素

1、塑性钝化模型

裂纹尖端在循环性交变应力的作用下出现尖锐化、钝化、再尖锐化的过程。在加载的应力时，尖端处的应力达到峰值，促使裂纹尖端处的金属裂纹张开位移COD数值急剧下降，尖端处承载面积变大，裂纹尖端钝化；在相反载荷（或卸载）的另一个应力循环周期，裂纹面被压在一起，部分金属折叠在一起。使裂纹尖端重新出现尖锐化，金属裂纹张开位移COD数值陡然上升，金属尖端不断向纵深扩展。这一过程中尖锐→钝化→再尖锐化不断重复出现，直到裂纹尺寸达到临界尺寸ac。描述疲劳扩展模型还有裂尖滑移模型、极限值模型、再成核模型和位错模型等。

2、裂纹扩展速率一般分为三个时期即a.第一阶段低速率裂纹扩展期b.第二阶段中速率裂纹扩展期c.第三阶段高速率裂纹扩展期等。

影响疲劳裂纹扩展速率的因素有a.平均应力b.应力条件c.加载频率d.温度e.介质环境f.结构和几何形状h.材质微观组织等。

六、疲劳裂纹产生过程和危害

A.具有初始裂纹或结构缺陷的构件，即使这些初始裂纹或结构缺陷未达到失稳扩展的临界尺寸ac，但是在交变应力的作用下，也会逐渐扩展，导致开裂。B.对于没有宏观裂纹的构件，在交变应力的作用下，也可能萌生裂纹，最后逐渐扩展，导致开裂。疲劳裂纹产生的过程复杂，受到很多因素的影响，但大致可分为四个阶段。

裂纹成核阶段

交变应力作用→滑移→金属的挤出和挤入→形成微裂纹的核

B.微观裂纹扩展阶段

一旦裂纹成核，就沿着滑移面扩展，这个面与主应力约成45°的剪切应力作用面，深入表面，形成非单一裂纹的裂纹集中区。

C.宏观裂纹扩展阶段

裂纹扩展方向基本上与主应力垂直，为单一裂纹，一般裂纹长度为0.01mm到裂纹临界尺寸ac之间，逐渐扩展为宏观裂纹。

D.瞬间断裂阶段

当裂纹扩展到裂纹临界尺寸Ac时，产生失稳扩展而很快断裂。在疲劳宏观断口上往往有两个明显区域，即光滑区域和颗粒状区域。因为裂纹扩展过程中裂纹的表面在交变应力的作用下，时而压紧，时而分开，多次反复，就形成了断口的颗粒状区时最后突然断裂的。

因此，疲劳开裂的应力远比静载荷破坏应力低，而且疲劳破坏撕裂处一般都没有明显的塑性变形减薄，对工程结构的安全危害最大，这是需要我们在实际工作中去努力识别和防患未然的。在各种机械部件断裂事故中统计表明，大于80％是由于疲劳失效引起的，应引起充分重视。

七、承压设备损伤模式识别中（GB/T30579-2014）容易产生机械疲劳裂纹的装置和设备

A.减压阀、流量调节阀附近的设备和管道。

B.辅助或连续备用的但间断工作的设备，如辅助锅炉。

C.水洗涤系统：温度周期性变化的设备，如急冷喷嘴。

D.离心泵和压缩机：转轴、出口和入口管道、缓冲器的接管和焊接接头；

E.其他可能引起的共振的设备和管道。

F.使用中每日循环的设备，如吸附器、焦炭塔等。

八、检验结论和相关改进措施

根据检验情况，依据压力容器定期检验规则的相关要求，出具不符合要求报告，安全状况等级评定为5级。

相关改进措施是优化图纸设计，对压缩机设备的基础固定牢固，地脚螺栓固定应符合标准要求，采用加强支承和减振设施来消除或降低振动的影响，在进气管安装支撑板和加强筋板或缓冲装置等。

参考文献：

[1]承压设备损伤模式（GB/T30579-2014）中国国家标准化管理委员会

[2]强天鹏压力容器检验中国锅炉压力容器检验协会

[3][英]R.W.尼柯尔斯压力容器技术进展-1缺陷分析机械工业出版社

[4]伍颖断裂与疲劳中国地质大学出版社

[5]谢亚东压力容器使用管理与安全运行北京：原子能出版社，1995