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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：工業小南點來源：工業小南點分享至：

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）材料強度

條件疲勞極限同金屬材料在大氣中的力學性能無直接的關系，純機械疲勞中，可采用的一些提高材料疲勞強度的措施，如提高材料屈服極限或抗拉強度；但材料強度對腐蝕疲勞的條件疲勞極限影響很小，有時甚至會起相反的影響作用。

2）力學因素

腐蝕疲勞與循環加載的頻率和波形強烈相關，而在純機械疲勞中，應力交變頻率和波形對疲勞性能影響甚微。一般說來，循環加載的頻率越低，每一循環應力與環境的共同作用時間愈長，腐蝕疲勞便愈嚴重。壓力容器的鋼制受壓元件在產生腐蝕疲勞時，對表面微觀幾何特征以及應力集中不敏感或較少敏感，這是低周腐蝕疲勞一個重要特征。

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

①反復彎曲載荷引起的疲勞斷裂。構件承受彎曲載荷時，其應力在表面最大、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力相垂直的方向擴展，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應的兩邊開始，幾乎是同時向內擴展；

②旋轉彎曲疲勞斷口。旋轉彎曲疲勞的應力分布是外層大、中心小，故疲勞源區在兩側，兩側的裂紋擴展較快，中心部位較慢，且其疲勞線比較扁平。由于在疲勞裂紋擴展的過程中，軸還在不斷的旋轉，疲勞裂紋的前沿向旋轉的相反方向偏轉。因此，最后的破壞區也向旋轉的相反方向偏轉一個角度。

③拉-拉載荷引起的疲勞斷裂。當材料承受拉-拉（拉-壓）交變載荷時，其應力分布是軸的外表面遠高于中心。由于應力分布均勻，使疲勞源區的位置變化較大。源區可以在構件的外表面，也可以在零件的內部，這主要取決于各種缺陷在構件中分布狀態及環境因素等；

④扭轉載荷引起的疲勞斷裂，軸在交變扭轉應力作用下，可能產生一種特殊的扭轉疲勞斷口，即鋸齒狀斷口。在雙向交變扭轉應力作用下，在相應各個起點上發生的裂紋，分別沿著±45°兩個側斜方向擴展（交變張應力最大的方向），相鄰裂紋相交后形成鋸齒狀斷口；在單向交變扭轉應力的作用下，在相應各個起點上發生的裂紋只沿45°傾斜方向擴展。當裂紋擴展到一定程度，最后連接部分破斷而形成棘輪狀斷口。

3）環境因素

腐蝕疲勞不要求特定的材料-環境組合，溫度、介質的腐蝕性、外加電流等對腐蝕進程有影響的因素，對材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。環境的腐蝕性增強，腐蝕疲勞強度越低、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。組織結構和組織的均勻性、夾雜物形狀、表面狀態等對材料抗應力腐蝕性能有影響的因素都對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）優化設計，減少應力集中、加大危險截面面積等，防止介質流動引起設備振動，消除管系振動對設備的影響。

2）消除或減少殘余應力，延長疲勞裂紋的形核期。

3）選用耐蝕材料。

4）金屬表面強化。如噴丸、表面滾壓、鍍鋅或鍍鎘等使金屬表面產生壓應力；表面感應淬火，提高表面層的強度；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。金屬表面涂鍍各種防腐蝕覆蓋層、熱噴涂耐蝕合金，使腐蝕介質與金屬表面隔離。如，當有質量分數為3.5%的NaCl腐蝕介質存在時，不管基材強度高或低，表面噴焊都使材料的腐蝕疲勞強度（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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