超高压管道疲劳裂纹萌生寿命的计算.pdf

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超高压管道疲劳裂纹萌生寿命的计算

超高压管道疲劳裂纹萌生寿命的计算 刘康林 万晋 (福州大学化学工程系) 摘要:通过将超高压管道在疲劳载荷作用下的损伤归结为大范围损伤下的疲劳问题,根据应变疲劳的破坏 机制,以应变幅为损伤变盘,建立了损伤演化方程,利用虚功原理得到了超高压管道疲劳裂纹萌生寿命计 算式。该式不仅考虑了材料的疲劳特性,同时考虑了管道结构和载荷作用情况.当退化为简单试件的疲劳 寿命计算式时,能很好地拟合三种常用超高压容器用钢30CrNiMo8,A工S14340H和G4335V的疲劳试验数据。 主班调:超高压管道 疲劳损伤 裂纹萌生寿命 虚功原理 0 前言 dD,/dN一a伍若Cr (2) 超高压管道裂纹萌生寿命是衡量其安全等级 设管道某点在外载作用下有损伤与无损伤时 的重要参量。直接通过与实际结构运行工况相同 的位移分量分别为uq和、 (i,j=1,2,3),应 或相似的疲劳试验来确定损伤与寿命,虽然可 靠,但因超高压管道所受压力高、管道材料昂贵, 变分量分别为ey和e,(i,j=1,2,3),在各向 试验难度大、代价高。因此,工程上迫切需要有 较为有效的疲劳寿命理论计算式来指导超高压管 同性损伤情况下,由损伤引起的位移增量Suy 道的安全分析与维护。由于超高压管道的加工制 造非常严格,管壁比较光滑,无初始应力集中, 和应变增量Ss。为(2) 当只涉及疲劳裂纹形成,而不涉及疲劳裂纹扩展 时,在循环载荷作用下的损伤属大范围损伤下的 如,=uy一uy=u髯 (3) 疲劳问题。从连续介质损伤力学出发进行研究, 能更准确地描述疲劳破坏的过程,提高疲劳寿命 预估的理论水平。本文旨在从唯象角度,建立基 I5Ey=60一ey=-lug (4) 于简单试件的疲劳试验数据确立裂纹萌生寿命的 式中 —‘ 待定系数,代表含损伤线弹性体的 疲劳损伤模型,使其可据管道实际服役条件和服 广义位移变程。 役史确定其损伤寿命,以便于工程应用。 对超离压管道而言,所受外载荷有内压、内 外壁温差、夹套内压力和管道自重。为简化起见, 1疲劳损伤与裂纹萌生寿命 忽略重力体力的作用,并暂按对称循环考虑。则 对疲劳破坏机理的研究表明,引起疲劳损伤 在虚位移guy上.对称交变面力载荷幅F;所作 的根本原因是材料内部的局部循环塑性应变。在 多晶体金属中,由于存在晶粒取向和傲观结构的 差异,即使构件所受应力或应变低于宏观的弹性 虚功Sw为 极限应力与应变,也会在少数晶粒中发生塑性变 形 ’〔〕。所以,管道在交变压力作用下的疲劳损伤, Sw=又rFySuydS (5) 可表示为如下的幕函数形式 式中吕为内外壁静力边界。令 dDIdN一小奋,)一“D(E;r (1) P一叉Fyuyds (6) 式中a和 二为常数,D为损伤度,N为交变循 由式 (3),(5),(6)可得 环次数,eE;为有损伤时的当量应变幅度。设疲 Sw=PST

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