4.5.5影响压力容器腐蚀疲劳寿命的主要因素及控制

2021-09-23 15:03:59 作者：工业小南点来源：工业小南点分享至：

4.5 腐蚀疲劳

4.5.5 影响压力容器腐蚀疲劳寿命的主要因素及控制

01.影响因素

1）材料强度

条件疲劳极限同金属材料在大气中的力学性能无直接的关系，纯机械疲劳中，可采用的一些提高材料疲劳强度的措施，如提高材料屈服极限或抗拉强度；但材料强度对腐蚀疲劳的条件疲劳极限影响很小，有时甚至会起相反的影响作用。

2）力学因素

腐蚀疲劳与循环加载的频率和波形强烈相关，而在纯机械疲劳中，应力交变频率和波形对疲劳性能影响甚微。一般说来，循环加载的频率越低，每一循环应力与环境的共同作用时间愈长，腐蚀疲劳便愈严重。压力容器的钢制受压元件在产生腐蚀疲劳时，对表面微观几何特征以及应力集中不敏感或较少敏感，这是低周腐蚀疲劳一个重要特征。

各种类型的疲劳断裂失效均是在交变载荷作用下造成的，因此，载荷的类型对断口的特征形貌有决定性的影响：

①反复弯曲载荷引起的疲劳断裂。构件承受弯曲载荷时，其应力在表面最大、中心最小。所以疲劳裂纹总是在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直的方向扩展，弯曲疲劳断口一般与其轴线成90°。

单向弯曲疲劳断口，在交变单向弯曲载荷作用下，疲劳在交变张应力最大的一边的表面起源。

双向弯曲疲劳断口，在交变双向弯曲载荷作用下，疲劳破坏源则从相对应的两边开始，几乎是同时向内扩展；

②旋转弯曲疲劳断口。旋转弯曲疲劳的应力分布是外层大、中心小，故疲劳源区在两侧，两侧的裂纹扩展较快，中心部位较慢，且其疲劳线比较扁平。由于在疲劳裂纹扩展的过程中，轴还在不断的旋转，疲劳裂纹的前沿向旋转的相反方向偏转。因此，最后的破坏区也向旋转的相反方向偏转一个角度。

③拉-拉载荷引起的疲劳断裂。当材料承受拉-拉（拉-压）交变载荷时，其应力分布是轴的外表面远高于中心。由于应力分布均匀，使疲劳源区的位置变化较大。源区可以在构件的外表面，也可以在零件的内部，这主要取决于各种缺陷在构件中分布状态及环境因素等；

④扭转载荷引起的疲劳断裂，轴在交变扭转应力作用下，可能产生一种特殊的扭转疲劳断口，即锯齿状断口。在双向交变扭转应力作用下，在相应各个起点上发生的裂纹，分别沿着±45°两个侧斜方向扩展（交变张应力最大的方向），相邻裂纹相交后形成锯齿状断口；在单向交变扭转应力的作用下，在相应各个起点上发生的裂纹只沿45°倾斜方向扩展。当裂纹扩展到一定程度，最后连接部分破断而形成棘轮状断口。

3）环境因素

腐蚀疲劳不要求特定的材料-环境组合，温度、介质的腐蚀性、外加电流等对腐蚀进程有影响的因素，对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。环境的腐蚀性增强，腐蚀疲劳强度越低、寿命缩短。

4）材料耐蚀性

耐蚀性较高的材料，抗腐蚀疲劳较好，反之亦然。组织结构和组织的均匀性、夹杂物形状、表面状态等对材料抗应力腐蚀性能有影响的因素都对材料的抗腐蚀疲劳有显著影响。

02.压力容器腐蚀疲劳的控制

1）优化设计，减少应力集中、加大危险截面面积等，防止介质流动引起设备振动，消除管系振动对设备的影响。

2）消除或减少残余应力，延长疲劳裂纹的形核期。

3）选用耐蚀材料。

4）金属表面强化。如喷丸、表面滚压、镀锌或镀镉等使金属表面产生压应力；表面感应淬火，提高表面层的强度；表面渗碳、氮化、渗铬、渗碳化铬等均可提高腐蚀疲劳抗力。

5）覆盖层防护。金属表面涂镀各种防腐蚀覆盖层、热喷涂耐蚀合金，使腐蚀介质与金属表面隔离。如，当有质量分数为3.5%的NaCl腐蚀介质存在时，不管基材强度高或低，表面喷焊都使材料的腐蚀疲劳强度（107寿命）提高30%以上[1]。

6）保持金属表面的完整性，提高表面光洁度。

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