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摘 要：在服役条件下，压力容器会因为外加载荷的不断变化、操作的间断以及工作压力出现波动等一系列因素的影响，进而发生相应的疲劳破坏问题。本文结合压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命相关理念，针对压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题展开了疲劳试验，从而得到了关于压力容器焊接接头疲劳特性参数和恒应变幅荷载下疲劳与寿命之间的关系，希望能为相关研究工作的开展提供参考。
关键词：恒应变幅荷载；压力容器；疲劳特性；疲劳寿命
前言
压力容器的疲劳破坏是低周疲劳类型中的一种，一般多发在焊接接头位置处，这种低周疲劳类型与融化焊的高温热作用有着直接的关系。在高温环境下，材料会发生相应的物理变化，从而出现较为明显的应力集中，零构件的疲劳寿命直接受到应力集中处最大局部應力的影响。本文结合压力容器的材质、力学性能以及实际的载荷情况，就压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题展开深入研究。
一、压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命相关概述
压力容器主要是指盛装气体或者液体，并且承载着一定程度压力的一类密闭设备，压力容器的材质包括金属压力容器及非金属压力容器两种。通常情况下，压力容器内部压力与外部压力之间存在一定的压力差，这种压力差具有一定的潜在性危险，在压力容器不断向前发展的历史上，大部分安全事故的发生均与压力容器的设计、制造、操作以及后期的使用之间有着直接的联系。因此，压力容器本身的质量有着非常严格的标准控制。对于压力容器的生产制造涉及到多个程序，主要可以概括为原材料验收阶段——划线阶段——切割操作阶段——除锈阶段——机加工（含刨边等）施工阶段——滚制阶段——组对阶段——焊接工序阶段——产品焊接试板阶段——无损检测阶段——开孔划线阶段——总检阶段——热处理施工阶段——压力试验阶段——防腐工序。
在服役状态下，压力容器会受到来自外界诸多因素的影响而出现相应的疲劳破坏问题，比如常见的外加载荷的不断变化、操作的间断、温度变化以及工作压力出现波动等一系列因素。相关统计结果表明，疲劳裂纹是导致压力容器发生破坏事故的主要原因之一，同时由于疲劳裂纹所导致的压力容器破坏事故，在压力容器破坏事故中占有高达45%以上的比例。针对这一情况，国内外针对压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一课题展开了大量的研究。从现阶段关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命研究的实际情况来看，其研究重点大多在于压力容器疲劳裂纹的拓展研究等方面，即：按照断裂力学的相关假设，认为压力容器在生产与制造过程中已经存在原始裂纹或者是类裂纹。然而相关研究证明，在无损探伤技术水平不断提高的背景下，压力容器在生产制造过程中存在的夹杂物、气孔以及裂纹等一些微小缺陷均可以被检测出来，所以上述说明是不准确的。在此基础上，本文结合压力容器的材质、力学性能以及实际的载荷情况展开深入研究。
二、关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命的试验
（一）试验材料
本此研究工作结合压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命相关理念，针对压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题展开了相应的疲劳试验。其试验所需材料主要包括：试验母材是当前压力容器应用较为广泛的16MnR热轧钢板，其实际厚度为15毫米，其焊接方式采用的是埋弧自动焊接方式，坡口形状为V形，所用焊丝材料是H08MnA，配合使用HJ230焊剂。焊接过程中电流大小为600～620A之间，焊接过程中电压大小保持在35～40V之间，焊接速度保持在45m/h[1]。
（二）试验方法
本次试验研究工作将试样分为7组，其中6组试样开展疲劳试验，1组作为静拉伸试验、6组疲劳试验主要是在Instron8502电液伺服品疲劳试验机上完成，试验环境为大气条件下室温状态下，在具体的试验中采取轴向拉压恒定总应变闭环控制方式进行，其应变比为Rc=-1，循环荷载为三角波形，每一组试样均需要在特定的应变幅下进行循环加载，并且测量裂纹萌生寿命，其裂纹萌生寿命为荷载从稳定降低20%时与之相对应的循环周次，最后计算裂纹萌生寿命的平均数值。在这一过程中，万能试验机上测量得出试样在单调拉伸是应力与应变之间的关系，并进一步明确断裂荷载以及断裂时实际的截面积大小。
三、关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命的试验结果分析
（一）循环加载应力——应变特征的分析
一般情况下，对于低周疲劳中应力与应变之间的关系可以通过循环应力——应变曲线来进行表示。对于金属材料而言，在循环荷载的条件下往往会出现相应的循环樱花或者软化等现象，所以低周疲劳中应力与应变之间的关系与单调加载时会出现一定程度的差异。在本次研究过程中，借助多试样循环等幅加载试验的方式，可以发现压力容器焊接接头疲劳中应力与应变之间的关系，会随着循环数的不断改变而发生对应的改变，最终到达几百周后，这时金属材料对于变形的抗力会逐步稳定来下。而静拉伸是应力与应变的公式表达式如下[2]：
（1）
公式（1）中的K代表强度系数，n代表应变硬化指数。在公式（1）的基础上，可以进一步得出关于循环应力与应变关系表达式[3]：
△（△）n （2）
公式（2）中的△代表循环应力，△代表应变幅。
（二）应变与寿命之间的关系
低周疲劳的本质是由于塑性应变循环积累所导致的损伤，所以一般控制塑性应变的疲劳试验的复杂程度相对较高，往往需要采用控制总应变幅的方式来完成相关的疲劳试验，并且借助不同的总应变幅△/2以及到达失效反向次数的2Nf作图，进而得到关于应变与寿命之间的关系。在局部盈利应变法中，对于应变与寿命之间的关系的揭示公式如下：
△/2=/E（2Nf）b+f（2Nf）e （3）
公式（3）的b代表疲劳强度指数，同时b约等于-1/6tg（2f′/b）=-0.076；c代表疲劳延性指数，其中延性材料c=-0.6。根据相关文献资料可知，约等于=P/A。
（三）疲劳裂纹形成寿命的计算值与试验值
通过对本次试验研究结果的分析，可以发现疲劳裂纹形成寿命的计算值大小高于试验值，由此产生的分析误差主要是因为压力容器焊接接头位置处各个区域的尺寸相对较小，导致存在较为严重的组织与力学不均匀性，使得材料本身各项力学性能参数发生一定程度的误差。这一结果表明，局部应力应变法在分析研究关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题时，存在一定程度的局限性。
总结：综上所述，以局部应力应变法来进一步推导出压力容器焊接接头应变与寿命的表达式，通过相关试验结果与计算结果两者之间的对比可以发现，受到组织与力学不均匀性的影响，疲劳裂纹形成寿命的计算值大小高于试验值。局部盈利应变法更多的适应于应力较为集中的零构件低周疲劳载荷条件下裂纹萌生寿命的计算。这种情况下不仅可以科学计算出裂纹萌生寿命，同时还可以进一步计算出裂纹扩展寿命。
参考文献
[1]汤岚清.应变强化装置研制及应变强化对06Cr19Ni10焊接接头中疲劳裂纹扩展影响的研究[D].北京化工大学，2017.
[2]周宏飞.HTS-A钢对接接头的双轴低周疲劳寿命研究[D].武汉理工大学，2011.
[3]邵昌哲.16MnR焊接接头疲劳性能与数值模拟[D].浙江工业大学，2010.
作者简介
孙祥广（1982.05-），男，汉族，籍贯：辽宁省瓦房店市民族，单位：抚顺市特种设备监督检验所，，研究方向：化工过程机械.
（作者单位：抚顺市特种设备监督检验所）
关键词：恒应变幅荷载；压力容器；疲劳特性；疲劳寿命
前言
压力容器的疲劳破坏是低周疲劳类型中的一种，一般多发在焊接接头位置处，这种低周疲劳类型与融化焊的高温热作用有着直接的关系。在高温环境下，材料会发生相应的物理变化，从而出现较为明显的应力集中，零构件的疲劳寿命直接受到应力集中处最大局部應力的影响。本文结合压力容器的材质、力学性能以及实际的载荷情况，就压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题展开深入研究。
一、压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命相关概述
压力容器主要是指盛装气体或者液体，并且承载着一定程度压力的一类密闭设备，压力容器的材质包括金属压力容器及非金属压力容器两种。通常情况下，压力容器内部压力与外部压力之间存在一定的压力差，这种压力差具有一定的潜在性危险，在压力容器不断向前发展的历史上，大部分安全事故的发生均与压力容器的设计、制造、操作以及后期的使用之间有着直接的联系。因此，压力容器本身的质量有着非常严格的标准控制。对于压力容器的生产制造涉及到多个程序，主要可以概括为原材料验收阶段——划线阶段——切割操作阶段——除锈阶段——机加工（含刨边等）施工阶段——滚制阶段——组对阶段——焊接工序阶段——产品焊接试板阶段——无损检测阶段——开孔划线阶段——总检阶段——热处理施工阶段——压力试验阶段——防腐工序。
在服役状态下，压力容器会受到来自外界诸多因素的影响而出现相应的疲劳破坏问题，比如常见的外加载荷的不断变化、操作的间断、温度变化以及工作压力出现波动等一系列因素。相关统计结果表明，疲劳裂纹是导致压力容器发生破坏事故的主要原因之一，同时由于疲劳裂纹所导致的压力容器破坏事故，在压力容器破坏事故中占有高达45%以上的比例。针对这一情况，国内外针对压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一课题展开了大量的研究。从现阶段关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命研究的实际情况来看，其研究重点大多在于压力容器疲劳裂纹的拓展研究等方面，即：按照断裂力学的相关假设，认为压力容器在生产与制造过程中已经存在原始裂纹或者是类裂纹。然而相关研究证明，在无损探伤技术水平不断提高的背景下，压力容器在生产制造过程中存在的夹杂物、气孔以及裂纹等一些微小缺陷均可以被检测出来，所以上述说明是不准确的。在此基础上，本文结合压力容器的材质、力学性能以及实际的载荷情况展开深入研究。
二、关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命的试验
（一）试验材料
本此研究工作结合压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命相关理念，针对压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题展开了相应的疲劳试验。其试验所需材料主要包括：试验母材是当前压力容器应用较为广泛的16MnR热轧钢板，其实际厚度为15毫米，其焊接方式采用的是埋弧自动焊接方式，坡口形状为V形，所用焊丝材料是H08MnA，配合使用HJ230焊剂。焊接过程中电流大小为600～620A之间，焊接过程中电压大小保持在35～40V之间，焊接速度保持在45m/h[1]。
（二）试验方法
本次试验研究工作将试样分为7组，其中6组试样开展疲劳试验，1组作为静拉伸试验、6组疲劳试验主要是在Instron8502电液伺服品疲劳试验机上完成，试验环境为大气条件下室温状态下，在具体的试验中采取轴向拉压恒定总应变闭环控制方式进行，其应变比为Rc=-1，循环荷载为三角波形，每一组试样均需要在特定的应变幅下进行循环加载，并且测量裂纹萌生寿命，其裂纹萌生寿命为荷载从稳定降低20%时与之相对应的循环周次，最后计算裂纹萌生寿命的平均数值。在这一过程中，万能试验机上测量得出试样在单调拉伸是应力与应变之间的关系，并进一步明确断裂荷载以及断裂时实际的截面积大小。
三、关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命的试验结果分析
（一）循环加载应力——应变特征的分析
一般情况下，对于低周疲劳中应力与应变之间的关系可以通过循环应力——应变曲线来进行表示。对于金属材料而言，在循环荷载的条件下往往会出现相应的循环樱花或者软化等现象，所以低周疲劳中应力与应变之间的关系与单调加载时会出现一定程度的差异。在本次研究过程中，借助多试样循环等幅加载试验的方式，可以发现压力容器焊接接头疲劳中应力与应变之间的关系，会随着循环数的不断改变而发生对应的改变，最终到达几百周后，这时金属材料对于变形的抗力会逐步稳定来下。而静拉伸是应力与应变的公式表达式如下[2]：
（1）
公式（1）中的K代表强度系数，n代表应变硬化指数。在公式（1）的基础上，可以进一步得出关于循环应力与应变关系表达式[3]：
△（△）n （2）
公式（2）中的△代表循环应力，△代表应变幅。
（二）应变与寿命之间的关系
低周疲劳的本质是由于塑性应变循环积累所导致的损伤，所以一般控制塑性应变的疲劳试验的复杂程度相对较高，往往需要采用控制总应变幅的方式来完成相关的疲劳试验，并且借助不同的总应变幅△/2以及到达失效反向次数的2Nf作图，进而得到关于应变与寿命之间的关系。在局部盈利应变法中，对于应变与寿命之间的关系的揭示公式如下：
△/2=/E（2Nf）b+f（2Nf）e （3）
公式（3）的b代表疲劳强度指数，同时b约等于-1/6tg（2f′/b）=-0.076；c代表疲劳延性指数，其中延性材料c=-0.6。根据相关文献资料可知，约等于=P/A。
（三）疲劳裂纹形成寿命的计算值与试验值
通过对本次试验研究结果的分析，可以发现疲劳裂纹形成寿命的计算值大小高于试验值，由此产生的分析误差主要是因为压力容器焊接接头位置处各个区域的尺寸相对较小，导致存在较为严重的组织与力学不均匀性，使得材料本身各项力学性能参数发生一定程度的误差。这一结果表明，局部应力应变法在分析研究关于压力容器焊接接头疲劳裂纹萌生寿命这一问题时，存在一定程度的局限性。
总结：综上所述，以局部应力应变法来进一步推导出压力容器焊接接头应变与寿命的表达式，通过相关试验结果与计算结果两者之间的对比可以发现，受到组织与力学不均匀性的影响，疲劳裂纹形成寿命的计算值大小高于试验值。局部盈利应变法更多的适应于应力较为集中的零构件低周疲劳载荷条件下裂纹萌生寿命的计算。这种情况下不仅可以科学计算出裂纹萌生寿命，同时还可以进一步计算出裂纹扩展寿命。
参考文献
[1]汤岚清.应变强化装置研制及应变强化对06Cr19Ni10焊接接头中疲劳裂纹扩展影响的研究[D].北京化工大学，2017.
[2]周宏飞.HTS-A钢对接接头的双轴低周疲劳寿命研究[D].武汉理工大学，2011.
[3]邵昌哲.16MnR焊接接头疲劳性能与数值模拟[D].浙江工业大学，2010.
作者简介
孙祥广（1982.05-），男，汉族，籍贯：辽宁省瓦房店市民族，单位：抚顺市特种设备监督检验所，，研究方向：化工过程机械.
（作者单位：抚顺市特种设备监督检验所）