【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高压容器设计开发及失效评定，具体涉及一种基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法。
技术介绍
1、工程应用中，绝大部分的高压容器都采用板焊式结构，即由厚壁板卷制成形并焊接而成。焊接是一个受热不均（温差很大）的冶金过程，焊缝及热影响区的内部组织晶粒粗大，加上工件拘束度的影响，使得工件在焊接过程会发生屈服变形，进而焊接冷却后在焊缝及热影响区产生较大的残余应力。焊接残余应力的破坏性很大，这是因为在高压容器服役过程中，焊接残余应力会不断叠加容器承载过程中的一次和二次应力等，从而得到很大的叠加应力，这也是大部分焊接容器在焊缝及热影响区容易产生裂纹的原因。工程实践表明，相比于压力容器母材，焊缝及热影响区部位更易萌生表面裂纹，进而在腐蚀环境或疲劳工况下快速扩展，从而导致容器破裂失效。
2、根据板壳理论，圆筒的环向应力是轴向应力的两倍，是第一主应力，因而其纵焊缝及热影响区部位更易萌生轴径向裂纹，对其疲劳扩展研究及安全评价也更具有工程意义。外壁轴径向裂纹通常可被认为半椭圆形，基于断裂力学的理论，含外壁轴径向裂纹的圆筒纵焊缝在腐蚀环境或疲劳工况下扩展的计算，主要有以下过程：①分别计算初始裂纹在循环交变载荷工况下最深点及自由表面处的应力强度因子；②建立裂纹在循环交变载荷及服役介质环境驱动作用下的裂纹扩展速率计算模型；③在初始裂纹的基础上，进行循环迭代计算，直至扩展到临界裂纹深度为止。
3、对于裂纹的疲劳扩展寿命，目前研究人员仍主要以有限元法居多；然而，由于圆筒纵焊缝在焊接过程中，存在一个非常复杂的焊接冷
4、因而，针对高压板焊式容器在焊缝及热影响区部位萌生裂纹的疲劳扩展寿命的计算，工程人员往往并不考虑焊接残余应力的影响。另外，现有方法一般仅考虑高压容器承受内压载荷，但实际工程中也会遇到同时承受内外压或单独承受外压载荷工况的压力容器，例如：深海环境下工作的圆筒形容器等，对该类高压容器外壁裂纹的考虑往往较少。这使得在实际工程应用中，对于圆筒纵焊缝外壁轴径向裂纹，找到一种比较简洁高效而计算全面准确的裂纹疲劳扩展寿命计算方法，显得尤为重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法。本专利技术同步考虑了容器在承受内外压力载荷、焊接残余应力及服役介质环境的影响，因此可针对性地适用于圆筒纵焊缝外壁在设计及运行阶段的裂纹疲劳扩展寿命的计算流程，并具备计算过程高效简洁以及计算结果精确度高的优点，工程计算中的实用性高。
2、为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：
3、基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于包括以下步骤：
4、s1.确定高压厚壁焊接圆筒的结构参数及循环交变载荷工况，并获取圆筒纵焊缝及热影响区部位外壁初始裂纹的形状参数；
5、s2.分别计算初始裂纹在循环交变载荷工况下最深点及自由表面处的应力强度因子，具体包括：
6、s2.1.制备圆筒纵焊缝焊接接头试件，并实测该试件在工作温度下的屈服强度；
7、s2.2.择一计算初始工况及末态工况下的基准拟合系数 a i′，其中， i为整数，且0≤ i≤3：
8、① 若圆筒未经焊后热处理，则：
9、
10、其中， p i为圆筒内压载荷，单位mpa； k为圆筒外径与圆筒内径之比； p o为圆筒外压载荷，单位mpa；rtp0.2为所述试件在工作温度下的实测屈服强度，单位mpa；
11、② 若圆筒经焊后热处理，则：
12、
13、随后，由计算获得的 a i′，拟合出初始工况及末态工况下垂直于外壁轴径向裂纹所在平面的应力分布；
14、s2.3.按下式计算初始工况及末态工况下的实际拟合系数 a i：
15、
16、式中，
17、 a为半椭圆形裂纹深度，单位 mm；
18、 t为圆筒壁厚，单位 mm；
19、随后结合计算出的外壁轴径向裂纹的形状系数 q，获得初始工况及末态工况下外壁轴径向初始裂纹最深点和自由表面处的应力强度因子；
20、s3.实测所述试件的断裂韧性或应力腐蚀断裂韧性，建立所述试件在循环交变载荷及服役介质环境驱动作用下的裂纹扩展速率计算模型，并进行裂纹扩展计算，获得疲劳扩展寿命。
21、优选的，所述步骤s2.2中，初始工况及末态工况下垂直于外壁轴径向裂纹所在平面的应力分布的拟合公式为：
22、
23、式中，
24、 x为裂纹自由表面起所测得的距离，为变量，单位 mm，且0≤ x≤ t。
25、优选的，所述步骤s2.3中，外壁轴径向裂纹的形状系数 q的计算公式为：
26、式中，
27、 l为半椭圆形裂纹长度，单位 mm。
28、优选的，所述步骤s2.3中，初始工况及末态工况下外壁轴径向初始裂纹最深点和自由表面处的应力强度因子 k i为：
29、
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【技术保护点】
1.基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S2.2中，初始工况及末态工况下垂直于外壁轴径向裂纹所在平面的应力分布的拟合公式为：
3.根据权利要求2所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S2.3中，外壁轴径向裂纹的形状系数Q的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S2.3中，初始工况及末态工况下外壁轴径向初始裂纹最深点和自由表面处的应力强度因子KI为：
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S1中，确定高压厚壁焊接圆筒的结构参数包括：圆筒外半径、圆筒内半径、圆筒的母材和焊材的使用材料及圆筒焊接工艺；循环交变载荷工况包括圆筒初始工况及末态工况下的压力载荷和温度载荷；圆筒纵焊缝及热影响区部位外壁初始裂纹的形状参数包括半椭圆形裂
6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述试件的断裂韧性或应力腐蚀断裂韧性通过三点弯曲试件或CT试件测试获得；通过三点弯曲试件或CT试件的方式将试件在服役介质环境下进行预制裂纹疲劳扩展试验，获得裂纹扩展速率计算模型。
7.根据权利要求6所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤S3中，进行裂纹扩展计算时，临界裂纹深度的判定以所述试件的断裂韧性KIC或应力腐蚀断裂韧性KISCC为临界值，并通过裂纹扩展计算获得半椭圆形裂纹深度及半椭圆形裂纹长度在扩展过程中随着循环次数累加的变化趋势图，随后采用逐步减小步长Δa的方式，获得裂纹扩展至临界裂纹深度的总循环次数Np和扩展至0.25倍临界裂纹深度的总循环次数Nc，取Np/2和Nc之中的较小值为疲劳扩展寿命。
8.根据权利要求7所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：获得疲劳扩展寿命后，疲劳扩展寿命对应的半椭圆形裂纹深度与半椭圆形裂纹长度为最终容许的裂纹深度与裂纹长度；在高压厚壁焊接圆筒服役过程中，当监测的实际裂纹深度与实际裂纹长度都不超过最终容许的裂纹深度及裂纹长度时，则该实际裂纹是安全的，否则触发风险报警。
...【技术特征摘要】
1.基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤s2.2中，初始工况及末态工况下垂直于外壁轴径向裂纹所在平面的应力分布的拟合公式为：
3.根据权利要求2所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤s2.3中，外壁轴径向裂纹的形状系数q的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤s2.3中，初始工况及末态工况下外壁轴径向初始裂纹最深点和自由表面处的应力强度因子ki为：
5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于圆筒纵焊缝外壁的轴径向裂纹疲劳扩展寿命计算方法，其特征在于：所述步骤s1中，确定高压厚壁焊接圆筒的结构参数包括：圆筒外半径、圆筒内半径、圆筒的母材和焊材的使用材料及圆筒焊接工艺；循环交变载荷工况包括圆筒初始工况及末态工况下的压力载荷和温度载荷；圆筒纵焊缝及热影响区部位外壁初始裂纹的形状参数包括半椭圆形裂纹深度和半椭圆形裂纹长度，半椭圆形裂纹深度和半椭圆形裂纹长度采用无损检测方法测定。
6.根据权利要求1或...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪志福，范志超，牛铮，范海俊，张元迪，陈梦真，朱金花，符敏博，危书涛，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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