卢大伟
【摘 要】在工业工程领域中,为避免管道的疲劳破坏,充分理解各种规范的适应性和局限性,对应实际的疲劳形式和工作状态,选择相匹配的疲劳分析方法具有极其重要的工程意义.
【期刊名称】《化工中间体》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】3页(P114-116)
【关键词】热转印墨水配方
弹性应力范围;峰值应力;疲劳失效;应力幅;疲劳极限 【作 者】卢大伟
【作者单位】河北寰球工程有限公司 河北 072700
srcpan【正文语种】减速机测试台中 文
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管道材料在循环载荷作用下的破坏形式主要为疲劳破坏。其本质是管道构件存在应力集中的局部区域，经过连续的高应力集中循环导致裂纹萌生；裂纹扩展到临界状态；剩余截面的不稳定，以致在应力远小于屈服点或强度极限的情况下，管道强度失效，突然发生脆性断裂，这种现象称为疲劳。开关型直流稳压电源
压力管道的疲劳破坏问题在工程领域中是一种难于发现，且一旦发生往往后果十分严重的，需要在设计时予以特别考虑和分析的管道应力问题。随着工程大型化，工艺多样化的发展，由于振动和循环工况导致管道和管件发生破坏的问题越来越突出，有些情况已不适用于以单纯的管道规范予以解决，需要技术人员从根本上予以辨析，并妥善处理。
在描述管道系统强度中最常用的失效理论是最大主应力理论和最大剪应力理论（也称特雷斯卡理论），最大主应力理论是ASME B31和ASME BPVC第III篇中NC和ND分篇管道系统的理论基础。但在预测韧性金属的屈服和疲劳失效时最大剪应力理论比最大主应力理论更精确，ASME规范将最大剪应力理论稍作调整用来判断塑性断裂。
最大剪应力理论将一点的最大剪应力τmax定义为3个主应力σ1，σ2和σ3中最大值和最小值代数差的一半。如果σ1＞σ2＞σ3（代数值），那么τmax=（σ1-σ3）/2。
当最大剪应力＞拉伸试验中屈服点的剪应力，那么管道元件则发生失效情况。拉伸试验中，当材料屈服时，σ1=Sy（屈服应力），σ2=σ3=0。所以当τmax=（σ1-σ3）/2=Sy/2时，部件发生屈服。
家用水果榨汁机为了简化计算，定义应力2τmax等于3个主应力中的σmax-σmin，这个应力称为合成应力的等效强度，或者应力强度。这样，应力强度S可直接与拉伸试验中带有安全系数的表列屈服应力值Sy相对比。当最大剪应力等于Sy时，断裂破坏发生。
目前ASME B31规范是基于弹性理论来评价应力问题，当弹性应力变化范围不大于屈服极限的2倍时，经过初始循环状态后，结构内的塑性变形循环将不在连续的出现，应力应变更多的是进行弹性变化，这时，结构内状态稳定，可以用弹性理论进行分析。
管道静应力分析中，峰值应力是是局部区域最大的应力，是疲劳失效产生的原因。我们通过控制峰值应力，来防止循环载荷引起的疲劳失效。但由于考虑的对象不同，各规范中疲劳应力评定的判别方法明显不同。在这里我们对此加以区分和比较。
二次应力因其具有的自限性特征，在引起少量塑性变形的情况下，不会直接导致破坏。即认为二次应力的限定，其是否引起塑性变形或导致破坏与区间内应力水平并无关联，而是根据交变的应力范围和交变循环次数来决定的，也就是疲劳失效问题。
在弹性应力范围校核的是一次应力与二次应力共同作用的结果，而一次应力SL不得超过材料在最高温度下的许用应力Sh，因此得到ASME B31[2]规范中的二次应力判别式为：
SA=(1.25Sc+0.25Sh)
实际运用中，可以将一次应力的余量加入上式，以获得更宽松的校核条件。对照ASME B31中应力范围减小系数ƒ与循环次数的关系，发现当循环次数N低于8000次时，ƒ不低于1，即便N=104时，ƒ也不低于0.95，结合性条件，该公式实际上已经能满足低周疲劳的校核要求。
材料在交变应力的作用下，往往不能用静力强度条件下的许用应力作为是否安全判断的依据，此时的许用应力要比静力强度条件下的许用应力低很多。
规范中的判别式引入应力范围减小系数ƒ的目的，主要是在循环次数较高时，对循环过程中
的应力变化范围进行更严格的限制，从而防止N＞104的疲劳破坏，尤其是N＞105的高周疲劳破坏。因此得到新的带有应力范围减小系数的应力判别式：
SA=ƒ[1.25 (Sc+Sh)-SL]
需要注意的是这里的循环次数N是所有计算位移应力范围的当量循环次数，而不仅仅是最大位移应力范围的循环数。
此外，当SE＞0.8SA时（SE指管道系统中的管子、管道元件或接头中的位移应力范围；SA指许用应力范围），与此同时量循环次数值N大于7000时，或设计人员根据以往情况判定其具有相同效应的工况发生时，规范中引入剧烈循环条件条件，用操作应力范围来评价应力问题。
工程领域中管道主要研究的现实问题是高低周疲劳。一直以来，管道设计中，更多涉及的是因温度条件引起的应力循环，故多为不超过105次的低周疲劳，所以在这一方面的研究和论证较多。高周疲劳的研究对象则以机械振动为主，特点是应力随时间变化较快，以致不能用强度理论来建立模型和求解,其主要研究方向为如何避免共振及疲劳持久极限。二者的研究内容和分析方法均不同。
除此之外，还有一些高周疲劳工况也经常存在于工厂条件下，即对应间歇操作工艺条件下的压力循环和瞬态载荷。这种高周疲劳已不仅仅限于需要比较固有频率和激振频率，还需要借助交变应力幅的概念将模型简化，并利用强度理论确定管道结构的壁厚。
使用交变应力幅的概念进行应力分析时，我们需要正确理解其基本特征，且明确其在设计规范和设计方法中所起的作用。
对于低周疲劳，已经证实用应力作为控制变量进行疲劳实验时，实验数据是相当分散的。通过这些不理想的试验结果可推导出一个事实，在低循环范围内施加的应力超过了材料的屈服强度，因此在试验试样中引起了塑性不稳定性。但是，当用应变作为控制变量时，这种低循环范围内的已知测试结果是稳定的，可以重复得到验证。这与ASME BPVC第Ⅷ卷 第二册中针对疲劳曲线的描述是一致的。
与之相对，高周疲劳为应力控制，其分析多是为了确定疲劳极限。通常把交变应力作用下在规定循环次数内不发生强度破坏的最大应力值叫做疲劳极限。材料所遭受的应力值只要不高于其疲劳极限值，那么在规定的应力循环次数内将不会发生疲劳破坏。
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