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浅谈良性裂纹与恶性裂纹的认识

香港黄先生(阿黄)发了一个非常有趣也非常有意义的帖子——什麼是「良性」和「惡性」的疲勞裂紋? 引起热议,这确实是值得无损检测界同仁思考和探索的重要问题!

黄先生指出:疲勞裂紋有「良性」和「惡性」之分。就像人類的「良性腫瘤」和「惡性腫瘤」一樣,「良性腫瘤」的是不會死亡的,「惡性腫瘤」(癌症)的會很快死亡。实际工作时,对「惡性」的立即拆除更換,「良性」的定期監控使用, 成功為客戶贏得時間和金錢,同時在不影響生產的情況下也保障了安全使用。

焊缝裂纹

对这个话题,我也想发表一点意见(转自强天鹏先生的意见):


1、欣赏黄先生提出的问题和他的观点论述。

2、关于疲劳裂紋的「良性」和「惡性」,可以引入结构应力分析中「安定」和「不安定」概念: 所谓安定,是指结构经反复加载后,其变形趋于稳定,或者说不再出现渐增的非弹性变形,则认为此结构是安定的;反之,所谓不安定,是指结构会在反复加载卸载中不断产生新的塑性变形,则可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏。

3、结构极限分析设计和疲劳设计中有很多关于结构安定的分析,其中最重要判据是:> 结构不安定;≤ 结构安定。有兴趣者可以查阅有关资料。

4、不是所有裂纹都可怕,有些裂纹是没有危险的。当然,判断哪些裂纹危险,哪些裂纹不危险需要更多的知识和经验。我在这里给几个最基本的依据:运行过程中产生的裂纹比制造过程中产生的裂纹危险;垂直于主应力方向的裂纹比不垂直于主应力方向的裂纹危险;向深度方向扩展的裂纹比向长度方向扩展的裂纹危险;处于结构应力集中点上的裂纹比不在结构应力集中点上的裂纹危险;交变载荷下的裂纹比静载荷下的裂纹危险。

5、开展无损检测+缺陷分析+安全评定,可以丰富无损检测技术内涵,提高无损检测的地位,扩大无损检测市场,增加无损检测人员的收入。对无损检测高级人员进行有关培训是可行的。

最后,提一个裂纹的问题考考大家,是一个工程项目发生问题时老外问我的。在架空的不锈钢管道外壁母材上出现一些裂纹,长度较大,深度较浅,方向无规律,老外的问题是:裂纹为什么会这样?

 

附一段关于结构安定的叙述,供感兴趣的人阅读:


1、安定性分析概念

如果一个结构经几次反复加载后,其变形趋于稳定,或者说不再出现渐增的非弹性变形,则认为此结构是安定的。丧失安定后的结构会在反复加载卸载中引起新的塑性变形,并可能因塑性疲劳或大变形而发生破坏。

若虚拟应力超过材料屈服点,局部高应力区由塑性和弹性区两部分组成。塑性区被弹性区包围,弹性区力图使塑性区恢复原状,从而在塑性区中出现残余压缩应力。残余压缩应力的大小与虚拟应力有关。设结构由理想弹塑性材料制造,现根据虚拟应力 的大小简单分析结构处于安定状态的条件。

(1) 当结构第一次加载时,塑性区中应力-应变关系按OAB线变化,虚拟应力-应变线为OAB′。卸载时,在周围弹性区的作用下,塑性区中的应力沿BC线下降,且平行于OA,如图2.4-2(a)所示。塑性区便存在了残余压缩应力E( ),即纵坐标上的OC值。若载荷大小不变,则以后的加载、卸载循环中,应力将分别沿CB、BC线变化,不会出现新的塑性变形,在新的状态下保持弹性行为,这时结构是安定的。

(2) 第一次加载时,塑性区中的应力-应变关系按OAB线变化,卸载时沿BC线下降,在C点发生反向压缩屈服而到达D点,如图2.4-2(b)所示。于是在以后的加载、卸载循环中,应力将沿DEBCD回线变化。如此多次循环,即反复出现拉伸屈服和压缩屈服,将引起塑性疲劳或塑性变形逐次递增而导致破坏,这时结构是不安定的。可见,保证结构安定的条件是 ≤ ,由于 ≥1.5Sm,分析设计标准中,将一次加二次应力强度限制在3Sm以内。
由于实际材料并非理想弹塑性材料,屈服后还有应变强化能力,因此上面由极限分析和安定性分析导出的应力限制条件是偏于保守的,使结构增加了一定的安全裕度。

2、疲劳分析概念

(1)低循环疲劳

近50年来,随着石油化工和其他工业的迅速发展,许多压力容器要承受交变载荷,例如频繁的开、停工以及压力波动、温度变化等,使得容器中应力随时间呈周期性(或无规则)变化(即所谓交变应力)。生产规模的大型化和高参数(高压、高温、低温)也使得高强度材料广泛应用于压力容器。这些因素的组合造成了压力容器发生疲劳失效的事故增加。

容器疲劳失效总是起源于局部高应力区。当局部高应力区中的应力超过材料的屈服点时,材料产生屈服变形,在载荷反复作用下,微裂纹于滑移带或晶界处形成,这种微裂纹不断扩展,形成宏观疲劳裂纹并贯穿容器厚度,从而导致容器发生疲劳失效。

疲劳分为高循环疲劳和低循环疲劳两类。在使用期内,应力循环次数超过105次的称为高循环疲劳或高周疲劳,循环次数在102~105次范围内的称为低循环疲劳或低周疲劳。对于一般压力容器,应力循环次数很少有超过105次的,通常只有几千次,故属于高应变、低循环的低周疲劳范围。

(2)JB 4732关于不需作疲劳分析的规定

疲劳分析是建立在应力分析的基础之上,计算工作量很大,而且,不是所有承受交变载荷的容器都会发生疲劳,因此,分析设计规定,当满足一定的条件时,承受交变载荷的容器可免作疲劳分析。显然,免作疲劳分析的条件应该是与交变载荷大小、循环次数、材料性质、以及结构应力集中的程度等因素有关,但为了便于应用,常以交变载荷的循环次数作为判据,并从偏于保守的角度作出规定。例如,JB 4732规定,对于常温抗拉强度 ≤550MPa钢材,若下列4条中总循环次数不超过1000次,容器整体部位可以不作疲劳分析。

① 包括启动与停车在内的全范围压力循环的预计(设计)循环次数;

② 压力波动范围超过设计压力20%的工作压力循环的预计(设计)循环次数;

③ 容器上包括接管在内的任意相邻两点之间金属温差波动的有效次数,这里的有效次数是指金属温差波动的循环次数乘以从表2.4-1查得系数值之积的和;

④ 由热膨胀系数不同的材料组成的部件(包括焊缝),当 >0.00034时的温度波动循环次数,其中 与 是两种材料的平均线膨胀系数, 为工作时温度总波动范围。

表2.4-1 温度波动有效次数计算用系数(略)

(3)JB 4732关于疲劳分析的规定

对于判定需要进行疲劳分析的压力容器,可利用设计曲线进行疲劳寿命设计。这些曲线是由材料试验或理论分析得出的,同时根据实际情况已经考虑了平均应力的影响,并计入了工程应用的安全系数。
除利用疲劳曲线的基本疲劳分析方法之外,JB 4732还给出了以下几种方法:

① 在操作条件中存在着两个或更多个显著应力循环时,利用线性累积损伤准则,规定了疲劳寿命的校核方法;

② 关于螺柱承受循环载荷能力的校核;

③ 对于局部结构不连续,角焊缝等特殊部位,可以利用应力集中系数或疲劳强度减弱系数进行疲劳分析的规定;

④ 对于承受静内压的容器,同时又承受热应力循环作用时,规定了求取许可的最大循环热应力的极限值的方法;

⑤ 给出了确定疲劳寿命的试验方法,以便采用较设计疲劳曲线所规定的允许值更高的循环应力强度值;

⑥ 对于整体补强的开孔接管,规定了应力指数,用以估算接管区的应力集中系数。

摘自强天鹏著《压力容器检验》第二章

 PS:本文转载于远东无损检测论坛名博强天鹏文章:《也说裂紋的「良性」和「惡性」》


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