疲劳失效分析

交变载荷、应力集中与疲劳失效

疲劳失效总是与载荷的交变相关联，可以认为没有交变载荷就不会有疲劳失效。交变载荷作用在材料上总会引起交变的应力。可以想象，交变应力的交变幅度愈大，材料的疲劳寿命就愈短。反之交变应务的幅值愈小，则疲劳寿命愈长。过程设备交变载荷的特点：（1）压力交变。每台压力容器在其全寿命期中都会经历压力载荷的交变。全寿命期中会经历数以千次以至万次的压力交变，则在应力集中区则易现疲劳裂纹的萌生—扩展—直至断裂。

（2）温度交变。温度之所以也可能称为载荷，是因为在由温差引起的热量传递过程中存在温度差，便随之引起金属的热变形差，当热变形因结构材料自身约束或相隣结构之间存在相互约束时，就会引起温差应力，众所周知，平板的两个表面之间存在显著温差时，由于结构自身对各层热膨胀变形存在相互约束，便形成热差应力，温度高的一侧温差应力为压应力，低温侧则出现拉伸型温差应力，壁厚愈厚、传热的阻力愈大，温差愈大，温差应力也愈大。

（3）流体激振引起的交变载荷。过程设备是专门处理流体介质的流程工业设备，流体（包括液态、气态、超临界态、含固态颗粒的流态）对设备不仅有压力载荷、冲击载荷、更有流动引起各种涡流的振动效应，特别是在流动状态激烈变化的区域。例如搅拌桨的背流面不断产生强烈的旋涡和不断发生旋涡的脱落，将会引起桨叶在旋转的同时还会发生摆动，会导致桨叶或轴的疲劳断裂。

交变载荷是引起疲劳失效最根本的原因，而结构中存在的应力集中则是疲劳失效的第二位重要因素。没有交变载荷就不会产生疲劳失效，除非交变载荷的幅度小到一定程度才会达到无限次循环后也不会出现疲劳失效。当交变幅度足够大时，总会在应力集中处首先萌生出疲劳裂纹。

结构设计中无法避免应力集中问题，良好的设计应该是力求合适地降低应力集中部位的应力集中程度。在有交变作用的场合下，压力容器应该按“分析设计”标准做疲劳设计，以求充分进行结构中应力集中部位的结构优化设计、应力分析和疲劳寿命安全核算。

疲劳断裂的三个阶段是：（1）疲劳裂纹的萌生，萌生疲劳裂纹的微观机制是，在与拉伸—压缩主应力方向呈45°左右的方向是剪切应力最大的，一些晶格方向正好与方便切变的晶粒可能产生较明显的位错与滑移，便形成滑移带，一部分凹陷进去，另一部分被挤出来。这是发生在一个材料表面晶粒内的过程。

（2）疲劳裂纹扩展，裂纹萌生之后裂纹逐渐转向与主应力相垂直的方向扩展，进入第二阶段，即扩展阶段，在已形成初始裂纹的基础上，可能是每一个载荷循环会形成一个微量的裂纹长度扩展。

（3）疲劳裂纹终断。当疲劳裂纹扩展到足够长之后，剩余截面小到快要达到塑性失稳（垮塌）时，材料将要发生塑性撕裂，即仅以很少的周次就可以将剩余截面逐次拉断。这时几乎与交变载荷的疲劳机制无关，而应属于塑性断裂过程，与韧性断裂时的剪切唇形成机制十分相仿。

过程设备疲劳失效的特点

低周疲劳指的是这样一种情况，例如压力容的接管区，由于应力集中而出现了一个局部小区域内材料进入塑性变形状态，在以后的加载—卸载循环循中，塑性区内材料将会反复出现拉伸屈服变形和压缩屈服变形的交替，无疑会在反复的塑性变形交替中形成过度的疲劳损伤，将在显著较低的交变周次之后发生疲劳失效：萌生疲劳裂纹—疲劳裂纹扩展—疲劳断裂。

压力容器的低周疲劳失效，必须存在压力交变或操作温度交变，以及可能两种交变同时存在的工况。这是形成疲劳失效和低周疲劳的必要条件。二是结构存在明显的高度应力集中。三是容器承压焊缝，特别是应力集中部位的焊缝的焊趾、内含超标但检测到的平面型缺陷，不按压力容器焊接规程粗制滥造的焊缝，焊缝及热影响区显著焊后硬脆的部位。这是结构内隐藏的应力集中。

一些接管区发生低周疲劳破坏的案例是非常典型的。图1是文献中引用较多的在接管根部萌生疲劳裂纹、扩展直至发生容器爆裂的试验容器发生疲劳破坏后的照片。

图1  带接管的大尺寸压力容器循环加压后疲劳试验爆炸的容器形貌

热疲劳是过程设备中经常遇到的问题。结构件在温度交变中出现热应力交变循环而导致疲劳失效的即为热疲劳。能自由热变形的杆件即使存在温度交变变也不会发生热疲劳。

图2  压力容器球形封头外壁的热疲劳失效形成的网状裂纹形貌

腐蚀疲劳失效，当设备的各种交变过程是在腐蚀性的介质环境中发生时，疲劳与环境腐蚀发生交互作用，这个过程便是腐蚀疲劳失效过程。如图3所示，这是一组局部区域内出现了分布密集方向平形的裂纹群。其中一条较粗开口又较宽的裂纹是主裂纹，已穿透管壁而导致泄漏，周边其它裂纹则均显短小而细微，但均肉眼可见，且相互平行。

图3  弯管内壁多重并排的腐蚀疲劳裂纹

瞬断区(1)瞬断区的大小

疲劳断口瞬断区是由纤维状、放射状及剪切唇三个部分所组成的，它类似于冲击断口和断裂韧性试样断口中断口三要素的分布情况。瞬断区的尺寸取决于负载的大小，材料质量的优劣等因素。在通常情况下，瞬断区面积越大则表示材料所受负载较大或较脆，相反，瞬断区面积越小则表示负载较小或材质较韧。(2)瞬断区的位置 瞬断区的位置越处于断面中心部位，所受外力越大；而越接近于零件的自由表面时，表明构件所受外力较小。例如在旋转弯曲疲劳断裂时，所受应力越大，瞬断区越接近中心；或者构件缺口越尖锐，瞬断区亦越接近中心位置。

图4 304不锈钢接管断口

单向弯曲疲劳断裂：轴在弯曲载荷的作用下，其表面应力最大，中心应力最小，一侧受拉，另一侧受压。在长期的反复的交替作用下，由于轴的表面经常存在缺口、刀痕、沟槽等缺陷，导致应力集中，从而诱发疲劳裂纹，成为疲劳源。随着交变应力的继续，疲劳裂纹沿着与正应力相垂直的方向扩展，直至发生突然断裂。其断口与轴线成90°。

双向弯曲疲劳断裂：固定心轴承受上下正负两个方向交变弯曲载荷，轴的上小对应都受拉、压两面变化的应力，由此导致的断裂称之为轴双向弯曲疲劳断裂。双向弯曲疲劳断裂的特征:与单向弯曲疲劳断裂的区别之一是双向弯曲疲劳断面有两个裂源，分别处于在相对的两侧。如果两个方向上的弯矩幅值相等，则在相对的两个靠近表面的区域内产生疲劳源，并同时向内扩展。两个裂纹扩展深度大致相等，当轴承受到弯矩幅值较低时，两个疲劳源往往不会同时产生。因此两条裂纹的扩展深度将会相差很大。

旋转弯曲疲劳断裂：轴承受旋转弯曲时，轴上各点均受到拉伸应力和压缩应力的连续交替作用，裂纹可能起源于表面任何一点。承受载荷不大时，疲劳源往往只在一处生核，并向内部和两侧扩展，而弯曲载荷逆轴的旋转方向移动，此时疲劳裂纹的前沿顺着载荷的移动方向扩展速率较快，逆载荷移动方向扩展速率较慢，从而导致裂纹前沿的偏移，使瞬时断裂区往往是向轴旋转的相反方向偏移一个角度，通常偏移角可达15°或更大。宏观断口特征，疲劳裂纹垂直轴向心部扩展，断口上出现疲劳条带,瞬时断裂区逆轴旋转方向偏转一定角度。

扭转疲劳断裂：轴在机械中承担传递扭矩，承受扭转载荷的作用，轴的表面所受到的应力最大，而心部为零。扭转疲劳断裂的特征，切断型扭转疲劳断裂:断口垂直轴线的平断口或台阶型；正断型扭转疲劳断裂:断口多呈斜面状、棘轮状或锯齿状和星状。

典型案例1：催化外取热器的热疲劳断裂失效分析

外取热器的设备概况如图5所示，是一台大型的由双套管外翅片式的立式列管热交换器。

图5双套管外翅片取热器结构示意图

外取热器主要技术参数如下表

蒸发管周向裂纹断口宏观照片

外取热器双套管型蒸发管应力集中处的周向已穿透的裂纹及外翅片U形槽底部裂纹，经分析确认为热疲劳裂纹。这与操作工况中温度剧变波动有直接关系。