压力容器的疲劳分析及设计

压力容器疲劳寿命预测与控制研究压力容器是工业中常见的设备，在许多生产领域都有广泛的应用。

由于压力容器要承受内部介质的高压力，因此其材料必须具有优异的力学性能和强度。

然而，即使是最优秀的材料，在长时间的使用过程中也容易出现变形和疲劳，这会极大地威胁到生产安全和工作效率。

因此，研究压力容器疲劳寿命的预测和控制方法变得尤为重要。

1. 压力容器疲劳破坏机理压力容器的疲劳破坏机理是由于容器内外介质的压力变化引起的。

在容器受到压力加载时，材料会发生应力的集中和变形。

随着压力的变化，这种应力集中和变形会反复发生，使得材料在这样的交替应力下逐渐疲劳，最终导致疲劳破坏。

因此，了解和预测压力容器的疲劳寿命，需要深入探究上述机理。

2. 压力容器疲劳寿命预测的方法由于压力容器的经验性和非线性特性，对其疲劳寿命的准确预测十分有挑战。

因此，研究人员开发出了各种方法来预测疲劳寿命。

2.1 菲利普斯法则菲利普斯法则是一种常用的预测疲劳寿命的方法。

该方法基于最大应力原理，考虑到疲劳断裂前的裂纹扩展，假设其中任何一个瞬间，裂纹的尺寸均以速率da/dN扩展，而a为裂纹有效长度。

因此，根据裂纹尖端应力集中系数、裂纹深度和材料的常数，可以得出菲利普斯方程式来预测疲劳寿命。

2.2 贝尔曼方程贝尔曼方程是一种基于概率统计的预测方法。

该方法根据疲劳断裂模型，将材料的疲劳寿命视为一个随机事件，由贝尔曼方程表达。

在此基础上，可以利用统计学方法，通过分析裂纹的扩展、应力水平和疲劳载荷循环次数等参数，预测压力容器的寿命。

2.3 有限元法有限元法是一种在计算机上进行疲劳分析的方法。

该方法将材料抽象为无数个微小元素，然后对其进行数学建模，利用计算机模拟这些微小元素的变形和破裂，从而预测材料的疲劳寿命。

该方法可以对不同形状和大小的压力容器进行数值模拟，具有高度准确性和实际意义。

3. 压力容器疲劳寿命控制的方法为了延长压力容器的寿命，需要对其进行有效的控制。

压⼒容器疲劳分析设计压⼒容器疲劳分析设计⼀，⼯程背景19世纪30—40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应⼒仅为0.4 ys）多次发⽣破坏；1954年1⽉, 英国慧星(Comet)号喷⽓客机坠⼊地中海（机⾝舱门拐⾓处开裂）；1980年3⽉27⽇，英国北海油⽥Kielland 号钻井平台倾复；127⼈落⽔只救起89⼈。

主要原因是由变应⼒和裂纹导致的断裂。

⼯程实际中发⽣的疲劳断裂破坏，占全部⼒学破坏的50％-90%，是机械、结构失效的最常见形式。

⼆，定义疲劳：疲劳是在某点或某些点承受交变应⼒，且在⾜够多的循环交变作⽤之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发⽣的局部永久结构变化的发展过程。

交变载荷：结构所承受的载荷经常有规律地变化着他它的⼤⼩，或者拉压交替变化。

称为交变载荷或变值载荷。

交变应⼒：在交变载荷作⽤下，结构中的应⼒也随之有规律地改变着它的⼤⼩与⽅向。

当量交变载荷：平均应⼒不为零时真实的交变应⼒与平均应⼒为零时产⽣的疲劳破坏相同的应⼒。

疲劳极限：当最⼤应⼒减⼩到某⼀临界值以后，试件就可以经历⽆穷多次应⼒循环⽽不发⽣疲劳破坏，这个临界值就称为疲劳极限。

三，结构：应⼒分析基本上都是针对容器的局部区域进⾏的，因此在计算条件确定后应进⾏结构分析，以确定应⼒分析部位并建⽴⼒学模型。

原则上容器的所有⼏何不连续点和承受局部载荷的元件都应作为应⼒分析部位，根据分析部位的结构形式和载荷形式建⽴相应的⼒学模型。

材料：最⼤应⼒低于材料强度极限或屈服极限；没有明显的塑性变形。

断⼝表⾯上呈现出两个划分明显的区域。

载荷：载荷谱如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。

分布载荷如温度、压⼒、⾃重等。

局部载荷如管道推⼒、弯矩、扭矩、局部温度梯度等。

谱载荷如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。

容器制造过程中、⽔压试验、⼯作中的超载等留下的残余应⼒。

环境：周期性的温度变化。

时间：构件长期在交变应⼒下。

四，疲劳的特点：交变应⼒，局部⾼应⼒，裂纹，发展过程。

具有典型结构压力容器的疲劳分析设计张杰，郝明涛，江保全，邓龙伟，唐毅（西南化工研究设计院有限公司， 四川 成都 610025）[摘 要] 由于局部应力对压力容器承受疲劳载荷的能力起着显著作用，在结构设计上应尽量避免使结构产生过大的局部应力峰值。

然而，工业应用的需求已无法规避具有某些典型结构的疲劳压力容器。

本文针对一种具有包括各口径接管（特别是斜接管）、内件支撑件、起吊吊耳、耳座支撑等典型结构的疲劳压力容器，基于有限元计算软件ANSYS，介绍了分析和设计的过程和评定方法，探讨了典型结构的特点和应力分布规律的成因，并提出相应处理措施。

[关键词] 压力容器；典型结构；应力；分析设计；疲劳评定作者简介：张杰（1981—），男，重庆荣昌人，2008年毕业于四川大学化工过程机械专业，博士，高级工程师。

主要从事压力容器设计和装备研发工作。

近年来，随着石油化工和各类工业技术水平的迅速发展，承受循环载荷的疲劳压力容器的应用日益增多。

压力容器受压部件中的结构不连续部位、开孔接管以及附件的焊接接头附近等区域常常会产生较高的局部应力（包括峰值应力在内的最大应力），对结构承受疲劳载荷的能力影响较大。

随着载荷的不断循环，局部应力的反复作用，将使材料晶粒间发生滑移和错位，逐步形成微裂纹，微裂纹不断扩展，进而形成宏观疲劳裂纹贯穿整个壁厚，最终导致容器发生疲劳断裂[1]。

在结构设计上疲劳压力容器应尽量避免几何不连续的结构，避免使结构产生过大的局部应力峰值。

然而，生产规模的不断扩大，单元装置的自动化和集约化程度越来越高，监测反馈回路增多、安装方式受限等情况不断呈现，疲劳压力容器已经无法规避各种常见的典型结构。

典型结构通常有典型的开孔接管规格和形式、典型的外部附件连接、典型的内部支撑件连接等。

因此，设计者只能掌握更加精确的设计方法，来评价结构承受疲劳载荷的能力。

本文基于大型有限元计算软件ANSYS ，对此类具有典型结构的疲劳压力容器的分析设计进行了较详细的阐述。

第56卷第3期2019年6月Vol.56No.3Jun.2019化H i殳备与肾道PROCESS EQUIPMENT&PIPING•压力容器•压力容器法兰螺栓疲劳强度浅析方晓峰（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波315103）摘要：介绍了一种压力容器法兰螺栓疲劳强度的计算方法，通过引入法兰当量受力面积，计算螺栓、法兰和垫片系统的相对刚度K,最后根据应力幅法计算螺栓疲劳强度。

关键字：螺栓；疲劳；相对刚度；应力幅中图分类号：TQ050.3；TH122文献标识码：A文章编号：1009-3281（2019）03-0001-004压力容器设计中经常遇见各种承受交变载荷的设备，对于容器和接管的疲劳计算可以参考美国的ASME、英国的BS5500和我国的JB4732等标准进行分析，但有关法兰、螺栓连接系统中螺栓的疲劳计算介绍得相对较少闪。

然而螺栓的疲劳失效会直接导致法兰密封泄漏，造成设备失效，甚至停产等危害。

针对法兰、螺栓连接结构，本文拟采用一种新的计算方法计算螺栓、法兰和垫片系统相对刚度K r,进而利用应力幅法判定螺栓的疲劳强度是否合格。

1螺栓的受力分析和疲劳计算压力容器法兰螺栓连接（如图1所示）是由法兰环、垫片和螺栓等组成的一个静不定系统。

在操作状况下，螺栓在承受预紧力F。

作用时，还经常承受一个由0到代循环变化的交变载荷，因此在设计计算时须同时考虑螺栓的疲劳破坏图1法兰螺栓连接Fig」Flange and bolt connection system在预紧法兰时，螺栓受拉，法兰和垫片受压,施于螺栓上的拉伸预紧载荷与施于法兰、垫片系统上的压缩预紧载荷大小相等、方向相反。

在预紧载荷作用下，螺栓伸长而法兰和垫片缩短，螺栓的拉伸变形和法兰、垫片的压缩变形值视螺栓和法兰、垫片系统的拉压刚度而异。

工作时，内压升起后，设由内压所引起的总载荷为尸3,则在内压作用下法兰、垫片系统的载荷由巴下降为尺（为保证工作时的密封，件值应保持在一定水平之下，其值可由法兰设计中的2nD a bmp决定），因而压缩变形量由厲下降为dp-A4；相应地，螺栓伸长量则增加其总伸长量达此时的螺栓载荷值为F0+K r-代。

机械工程中压力容器的疲劳寿命分析与改进在机械工程中，压力容器被广泛应用于各种领域，如石化、电力、航空航天等。

然而，由于使用过程中受到不断变化的压力和温度等因素的影响，压力容器容易发生疲劳破坏，从而导致安全事故的发生。

因此，研究压力容器的疲劳寿命分析与改进具有重要意义。

首先，压力容器的疲劳寿命分析是了解其寿命的重要手段。

疲劳寿命分析主要通过应力-应变曲线、载荷频率及材料性能等参数来评估压力容器的疲劳寿命。

通过分析容器受力情况，找出应力最大的位置，确定疲劳断裂的起始点，可以计算出压力容器的寿命。

而在疲劳寿命分析的过程中，还需要考虑到材料的疲劳性能、载荷的作用形式以及工作环境等因素。

通过系统分析和实验验证，可以准确评估压力容器的疲劳寿命，为改进提供理论依据。

其次，在分析压力容器的疲劳寿命后，需要采取一系列改进措施来提高其使用寿命。

一种常见的改进方法是采用更优质的材料。

高强度材料具有更好的抗疲劳性能，能够提高压力容器的寿命。

此外，还可以通过优化压力容器的结构设计来减少应力集中，改善其疲劳性能。

例如，增加圆角、改变接缝的设计等，都可以降低应力集中的程度，从而延长压力容器的使用寿命。

此外，还可以采用表面处理等方法来提高材料的表面质量，减少表面缺陷对疲劳寿命的影响。

另外，监测和维护也是延长压力容器寿命的关键因素之一。

通过定期的检测和维护，可以及时发现和处理压力容器的安全隐患，避免事故的发生。

常用的监测方法包括无损检测、磁粉探伤等技术，可以对压力容器进行全面的检测。

此外，在维护方面，需要及时更换老化的部件，保持压力容器的正常运行状态。

只有加强监测和维护工作，才能确保压力容器的安全使用。

综上所述，压力容器的疲劳寿命分析与改进在机械工程中具有重要意义。

通过分析容器的受力情况，确定疲劳断裂的起始点，可以准确评估容器的寿命。

而通过采用更优质的材料、优化结构设计以及加强监测和维护工作，可以提高压力容器的使用寿命。

只有不断加强研究和实践，才能不断完善压力容器的设计与制造，确保工程结构的安全性和可靠性。

压力容器疲劳知识总结（201220630 邹明铭）1.疲劳分析设计工程背景疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

在工程实际中，大量的材料、构件在交变应力作用下工作，将发生疲劳破坏，因而在疲劳分析在工程设计中占有重要地位。

疲劳强度分析是一个热点的研究领域，已从经典的无限寿命设计发展到有限寿命设计和可靠性分析。

累积损伤观念为现代工程设计注入了新思想和新方法，损伤理论已成为一门新的学科，为解决疲劳寿命问题提供了重要理论基础与工程计算方法。

2.疲劳分析的基础知识2.1交变应力图1所示的交变应力，用S代表广义应力，即它可以是正应力，也可以是切应力。

图1 交变应力示意图应力循环——应力值每重复变化一次成为一个循环，及应力从最小值变到最大值，再变回到最小值。

循环次数——应力重复变化的次数，用N表示。

S表示。

最大应力——应力循环中的最大值，用max最小应力——应力循环中的最小值，用min S 表示。

平均应力——最大应力与最小值的平均值，用m S 表示。

即m max min 1()2S S S =+ （2-1） 应力幅值——应力变化幅度的均值，用a S 表示。

即 max min 1()2a S S S =- （2-2） 这样，max m a S S S =+ （2-3）min m a S S S =- （2-4）循环特征——最小应力与最大应力的比值，用 表示。

即（2-5）2.2 几种典型的交变应力图2所示的交变应力，为对称循环的交变应力。

其特点是max min max 1,,0,m a r S S S S S =-=-==图3所示的交变应力，为脉动循环的交变应力。

其特点是min max 10,0,2m a r S S S S ==== 图4所示的为静应力，可视为应力幅值为零的特殊交变应力。

其特点是 max min 1,,0m a r S S S S ====除图2所示的对称循环的交变应力外，其它均为非对称循环交变应力，且其循环特征 均在-1与+1间变化。

浅谈压力容器的疲劳分析及设计随着石油化工和其他工业的迅速发展，元件结构和载荷的日趋复杂，疲劳破坏成为压力容器失效的主要原因之一。

尽管人们对疲劳问题已引起足够重视，但疲劳破坏事故仍然不断发生。

所以，对压力容器疲劳问题进行研究具有重要的意义。

本文主要是对压力容器出现疲劳的原因及其设计进行分析论述。

标签：压力容器；疲劳；设计压力容器的破坏形式有很多种，如脆性、韧性破坏，介质腐蚀破坏等。

疲劳损傷有别于其他损伤模式，日常检查不容易发现，并且引发的事故突然，因此具有极大的潜在危害性，设备管理者应对其高度重视。

对疲劳可以从不同的角度进行分类。

在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。

从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环加力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳，压力容器的疲劳就属于高应力底周期的疲劳。

下文将对压力容器疲劳的相关内容进行详细的论述。

1 压力容器疲劳缺陷产生的原因压力容器发生疲劳破坏的时候，一般没有明显的塑性变形的标志出现，这是由于局部的高应力集中区应力的峰值超过了材料的屈服极限值，发生了晶粒滑移，随着载荷的不断往复作用，晶粒逐渐从高应力集中区分散开，从而产生了裂纹，这种裂纹不断扩大到整个集中区域最终产生疲劳断裂。

压力容器中产生疲劳断裂的区域有以下几个区域：第一，开孔接管区域，这边由于开孔之后，材料缺失，这部分及其容易形成应力集中区，从而导致产生疲劳缺陷。

第二，支座连接区及封头连接区域，这部分是由于焊接之后，产生的各种问题，导致应力集中，同时在焊接的时候高温促进了晶粒的滑移速度的加快，这样更容易产生应力的集中，从而容易导致疲劳缺陷。

第三，压力容器的总体区域，在这些区域中一些原始的缺陷：如焊接的残余应力，容器板材加工过程中的应力，都可能导致应力的集中，从而产生疲劳缺陷。