（化工过程机械专业论文）30crnimo8超高压聚乙烯反应管的疲劳研究.pdf

、l 天津犬学颁i 学位论文 中文提要 实际的反应管在制造过程中内壁产生的微小缺陷，焊缝存在的焊接缺陷以及外 壁长期受到腐蚀而产生的缺陷都是可能的，这就使裂纹经历很短的萌生期直接进入 裂纹的扩展阶段而发生破坏。而高压聚乙烯装置因自增强产生的内壁压缩残余应力 随着反应管的长期使用而发生较大程度的衰减，从而影响了反应管的疲劳寿命。 本文的研究是针对大庆石化总厂的超高压聚乙烯反应管，根据反应管的实际工 况，进行了高温下材料的疲劳裂纹扩展速率的测试，常温和高温下的毖型扭蛙的测 试，带有外壁人工缺i z i 的自增强厚壁筒的内压疲劳试验。在瘥蒸型煞芷屐麦俞的计 算中，根据材料的实际性能，采用优化模型理论计算残余应力，并考虑了平均应力 对裂纹扩展速率的影响。通过有关文献数据和实验值的验证，说明了计算公式的可 行性，迸而对大庆聚乙烯反应管的壅蒸麦盒进行了预测。 本文的研究为压力容器的安全评定和寿命预测提供了可靠的方法和依据。 关键词：超高压聚乙烯反应戬疲劳，自增强 丕望查兰堡生竺竺堡兰 ab s t r a c t i ti sp o s s i b l ef o rp r a c t i c a lr e a c t o rv e s s e l st h a tt h es m a l lc r a c k so r i g i n a t e da tt h ei n n e r b o r es u r f a c e ，w e l d i n gf l a w sd u r i n gp r o d u c i n ga n dc o r r o d e df l a w sa tt h ee x t e r n a ls u r f a c e e x i s t i tr e s u l t si nc r a c kg r o w t hf a i l u r ew i t ls h o r tc r a c ki n i t i a t i o np e r i o d t h er e s i d u a ls t r e s s a ti n n e rb o r eo fa u t o f r e t t a g e dh i g h p r e s s u r ep o l y e t h y l e n er e a c t o rv e s s e l sw o u l dd e c a yw i t h l o n gt r e mu s e ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t st h ef a t i g u el i f eo f v e s s e l s i nt h i sp a p e r , t h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t eo nh i g ht e m p e r a t u r e ) a n df r a c t u r et o u g h n e s s ( i nr o o mt e m p e r a t u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r e ) a l em e a s u r e df o rt h em a t e r i a lo fh i g h p r e s s u r e p o l y e t h y l e n er e a c t o rv e s s e l s t h ef a t i g u et e s to ft h ea u t o f f e t t a g e dc y l i n d e rw i t he x t e r n a l f l a w si s c o m p l e t e d i na d d i t i o n ，w h e nc a l c u l a t i n gt h ef a t i g u el i f e ，r e s i d u a l s t r e s si s c a l c u l a t e db yo p t i m r n lm o d e la c c o r d i n gt ot h em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，a n dt h ee f f e c to fm e a n s t r e s si sc o n s i d e r e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ed a t ai nr e f e r e n c ea n d e x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i c hv e r i f i e st h ec o r r e c t i o no f t h ef o r m u l a ，f u r t h e r m o r et h ef a t i g u el i f e o fd a q i n gh i g hp r e s s u r ep o l y e t h y l e n er e a c t o rv e s s e l si sp r e d i c t e d t h i ss t u d yi sar d i a b l em e t h o da n df o u n d a t i o no nt h es a f ea s s e s s m e n ta n ds a f e l i f e p r e d i c t i o no f p r e s s u r ev e s s e l s k e y w o r d s ：h i g h - p r e s s u r ep o l y e t h y l e n er e a c t o rv e s s e l s ，f a t i g u e ，a u t o f r e t t a g e 2 天津大学硕上学位论文 月u舌 超高压聚乙烯管式反应器是聚乙烯生产装置的关键设备之，该反应管能否长 期安全运行直接关系到工厂的产值、利润以及人身和财产的安全，一直受到高度重 视。早期的压力容器设计中，疲劳不是重要的考虑因素。随着科学技术和工业生产 的发展，超高压聚乙烯反应器的操作条件越来越复杂而苛刻，有频繁的间歇操作或 启动、停工和操作过程中的压力波动和脉冲，有周期性的温度变化，也会受到流体 的诱导振动等，这些因素都会导致反复交变应力，就不能简单地只按静载来考虑。 再加上各国的设计规范都普遍提高了设计应力，而且结构大型化、复杂化又使制造 过程中不可避免地出现某种缺陷，这些都大大增加了疲劳破坏的危险性。据统计， 压力容器运行中的破坏有75 以上是疲劳引起的，其中40 以上是疲劳裂纹扩 展引起的，所以对疲劳破坏各国都很重视。 疲劳破坏是超高压聚乙烯反应管失效的主要形式之一。聚乙烯反应管在设计时 主要是防止裂纹的萌生。而实际的反应管在制造过程中内壁产生的微小缺陷，焊缝 存在的焊接缺陷以及外壁长期受到腐蚀而产生的缺陷都是可能的，这就使裂纹经历 很短的萌生期直接进入裂纹的扩展阶段而发生破坏。我国在六、七十年代引进的几 套高压聚乙烯装置，其自增强产生的内壁压缩残余应力随着反应管的长期使用而发 生较大程度的衰减，这必然会影响反应管的疲劳寿命。今后将要上马的聚乙烯装置 也会面临同样的问题。考虑到现代冶金生产技术的提高，对钢材抗疲劳裂纹扩展能 力有很大的改进，就有必要研究这种残余应力发生衰减的在役反应管裂纹萌生后，对 抗疲劳裂纹扩展所具有的安全裕度。 本文的研究是针对大庆石化总厂的超高压聚乙烯反应管，根据反应管的实际工 况，进行了高温下材料的疲劳裂纹扩展速度的测试，常温和高温下的断裂韧性的测 试，带有外壁人工缺口的自增强厚壁筒的内压疲劳试验，并用扫描电镜对疲劳断口 加以分析。在疲劳裂纹扩展寿命的计算中，根据材料的实际性能，采用优化模型理 论计算残余应力，并考虑了平均应力对裂纹扩展速率的影响。通过有关文献数据和 实验值的验证，说明了计算公式的可行性，进而对大庆聚乙烯反应管的疲劳寿命进 行了预测。本文的研究为压力容器的安全评定和寿命预测提供了可靠的方法和依据。 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 超高压聚乙烯管式反应器是聚乙烯生产装黄的关键设备之，该反应管能否长 期安全运行直接关系到工厂的产值、利润以及人身和财产的安全，一直受到高度重 视。 为了提高反应管的抗疲劳性能和弹性承载能力，除了使用高强度材料外，还必 需采取其他措施。若按弹性失效理论，只有增加壁厚才能提高反应管的弹性承载能 力。但增加壁厚会出现下列问题： f 1 ) 当径比k 4 0 时，简体径向( 壁厚) 应力分布极不均匀，材料的利用率差。 ( 2 ) 内压p o 5 8 0 。时，增加壁厚没有意义，且内壁出现屈服。 因此，采用弹性失效准则是不合理的，甚至行不通。那么用什么方法来提高反 应管的弹性承载能力和抗疲劳性能呢? 按w r m a n n i n g 的观点，超高压容器是用韧 性较好的材料制造，其主要应力之间大小差距较大，它的危险应力是剪应力，因此 提高强度必须降低剪应力。由拉美公式可知： ，：三( o r o ，) ：鱼二挈墅 ( 1 一1 ) 2 、 k 一l 式中：盯t 温差应力； 盯，径向应力； k 圆筒内外径之比。 由前所述增加壁厚是行不通的。因此当内压p ；很高时，只有增加外压p 。方可使 最大剪应力t 。降低。即对容器施加外压，或者说利用圆筒预加应力来平衡工作应 力。而厚壁筒自增强处理恰恰达到了这个目的。 所谓自增强处理，是在圆筒承载以前进行超压处理，使压力超过圆筒的屈服压 力，因而圆筒在内壁表面开始发生塑性变形，在容器某一厚度范围形成塑性层，然 后将压力卸除，由于各层的塑性变形不协调，卸压后，内层材料受到外层材料收缩 的压力，而产生压缩应力，外层材料受到内层材料的接触压力p 。，由于p 。的作用产 生残余应力，这是利用容器自身材料的弹性收缩力及变形不协调产生的一个预加外 压。经过自增强处理后的压力容器，由于内壁附近有较高的压缩残余应力，与操作 时的介质压力及温差应力叠加后，使内壁处应力水平降低，同时也降低了当量交变 应力和平均应力。这样，就提高了容器的内压强度，提高了容器的弹性承载能力； 并且容器在操作时，由于容器沿壁厚应力的均匀化，使材料得到了充分利用。特别 是对于已经存在缺陷的容器，缺陷附近由于应力集中而使应力水平较高，通过自增 强处理，缺陷附近的塑性变形使峰值应力下降，对于裂纹的扩展起到了延缓的作用， 天津大学顶l 学位论文 减小了容器脆断的危险性。可见，自增强处理后的压力容器，提高了容器的疲劳强 度，改善了容器的抗疲劳性能，延长了容器的使用寿命。 但是，超高压聚乙烯反应器在长期运行期间，由于压力、温度等因素的影响， 使自增强处理产生的残余应力随着使用时间而发生衰减，特别是反应管内发生分解 反应后使自增强残余应力大大下降，这就降低了自增强效果，降低了反应管的抗疲 劳能力，必然使反应管的寿命下降。而且实际的反应管在制造过程中内壁产生微小 缺陷以及焊缝存在焊接缺陷的可能性，反应管长期运行期间外壁受到腐蚀介质的侵 蚀而产生缺陷也是可能的，将这样的缺陷作为裂源而发生疲劳裂纹扩展就会导致反 应器的疲劳破坏。目前国内外的超高压聚乙烯反应器按设计使用年限都处于中后期 阶段，日本的使用14 年的高压聚乙烯阻火罐( 厚壁圆筒) 发生了脆性破坏，我国 上海金山石化总厂使用11 年的超高压聚乙烯反应管也发生了泄漏。所以预测在役 超高压聚乙烯反应器的疲劳寿命，尤其是带有缺陷时的疲劳裂纹扩展寿命以及反应 管是先漏后破还是爆破，是迫切需要解决的问题。 1 2 超高压圆筒内压疲劳试验研究的发展过程 超高压圆筒的内压疲劳试验研究，自1 9 5 0 年以来，进行了大量的试验研究。其 发展主要分为以下三个阶段。 第一阶段，是五十年代到六十年代末对厚壁简体疲劳强度的研究。主要是因为 厚壁筒体多采用高强度钢，应力水平高，对应力集中敏感，疲劳问题相当突出。人 们普遍关心的是采用什么强度理论来分析复杂应力状态下的疲劳问题。其中m o r r i s o n 【l 一，p a r t y 【“，a u s t i n 和cr o s s l a n d 【5 1 以及cr o s s l a n d 和s k e l t o n 【63 等在这方面 做了大量的试验工作，分析了弯、扭联合作用下的厚壁筒疲劳强度，提出了采用最 大剪应力理论计算交变剪切疲劳强度的公式，并制做了图表。以上这些资料在反应 器的设计中已经得到了应用。 第二阶段是进入70 年代随着自增强技术应用于聚乙烯高压反应管及大型合成 氨反应器的设计与制造，在自增强理论方面取得了很大进展 7 “。人们着重研究 自增强厚壁筒的疲劳强度，取得了大量的实验数据，验证了某些理论的设想，特别 是通过试验，解除了人们长期以来的顾虑，即自增强处理产生的塑性变形会不会产 生疲劳裂纹而早期失效? 日 寺尾雅之【l “、中尺青禾繁 i “、西原正夫【l 、山 口喜弘、服部重夫63 以及英国的j r o g a n 1 ”，m n i s h i h a r a t ”1 等在这方面作了许 多试验工作。证明了由于自增强处理使当量交变应力及平均应力降低而提高了疲劳 寿命。 第三阶段是随着断裂力学的发展，应力强度因子理论日趋成熟，使人们认识到 压力容器和管道的疲劳寿命是由剪应力产生的裂纹萌生寿命与由最大主应力造成的 疲劳裂纹扩展寿命之和，而不能用简单的破坏准则来衡量，并为压力容器的表面缺 第一章绪论 陷的疲劳裂纹扩展特性及疲劳裂纹扩展寿命的研究奠定了理论基础。 最早进行带有缺陷自增强厚壁筒疲劳试验研究是1 9 7 4 年日本中心实验室西冈帮 夫f ”3 等研究厚壁圆筒内壁存在刀痕、凹坑等各种缺陷时的自增强效果。试件使用 与a i s l 4 3 4 0 钢相当的n i c r m o 钢圆筒内径2 7 m m ，径比k = 2 3 0 。然后对圆筒进 行了8 0 0 m p a 自增强处理，进行疲劳试验。试验结果如表l 一1 所列m 】。 表1 1 人造缺陷圆筒的自增强结果 t a b l e1 - l a u t o f r e t t a g e dr e s u l t o f c y l i n d e r w i t h m a i l m a d e f l a w s 圆筒处理最大内压m p a缺陷深度a i m破坏循环数 4 0 00 41 4 8 9 2 淬火或回火 4 0 0o 21 8 3 l o 自增强 4 0 00 45 0 6 8 2 自增强 4 0 0o _ 27 0 0 8 0 从表可以看到，有缺陷的圆筒自增强处理后，大大提高了其疲劳循环数。说明 了经自增强处理后，残余应力与交变内压产生的应力叠加的结果使平均应力下降， 当量交变应力降低，因而疲劳循环数得到提高。对于圆筒有缺陷的情况，经过自增 强超应变处理后，缺陷附近由于塑性变形而使峰值应力下降，减缓裂纹扩展速度。 并且对于圆筒上的内壁裂纹对疲劳强度影响方面，采用具有椭圆表面裂纹的有 限宽板上承受拉伸时应力强度因子k 的计算式： k ，= 坛( r + o e ) , - 7 ( 1 2 ) ly 公式中考虑压力介质向裂纹内部侵入因素的影响。文章的发表，引起了各国研 究者的重视。尽管该公式用于自增强厚壁筒比较粗糙，但是给研究者提供了新的思 路和方法。 为了研究带有缺陷的自增强厚壁筒的疲劳寿命，人们认识到计算应力强度因子 是解决这一问题的关键。压力容器的表面缺陷在力学分析中都是以半椭圆裂纹形状 来描述的。半椭圆表面裂纹由于其三维复杂性，至今还没有得到精确的应力强度因 子解，更不必说是在弹塑性或全域屈服下的表面裂纹应力强度因子计算问题。 纵观当前所有的半椭圆表面裂纹应力强度因予的计算式，都是在无限体深埋椭 圆裂纹应力强度因子计算式的基础上给出的。范天佑口“首先精确分析了无限体内的 椭圆表面裂纹在均布压力下，裂纹附近区域的应力场和应变场。i r w i n 在此基础上推 导了椭圆i 型裂纹的应力强度因子表达式： 厂一r，、2- i f 4 k ，以蚓s i n 2 8 + c o s 2 引 “3 ) 对于有限厚板中的表面裂纹的k ，需要考虑一系列的影响因素后，引进修正系 数而组成，一般作以下修正： 天津大学硕士学位论文 r 1 ) 为了得到半椭圆表面裂纹，在无限体内引进了一个通过椭圆长轴，垂直于裂 纹的平面叫前自由表面。这就使对裂纹的弹性约束减小，原有的k i 发生了变化，故 引进系数大于1 的前自由表面影响系数m ，。 ( 2 ) 对于有限厚板，引进一个与前表面平行的后表面，也会使k i 发生变化，又 引进了一个系数大于1 的后表面影响系数m ，。 ( 3 ) 板宽是有限的，对应力强度因子也有影响，需要引进扳宽修正系数m ，。 除了以上三点以外，与自由表面影响系数有关的还有裂纹形状( a ，c ) 及参数角0 。 综合以上因素，可以写成： f ( a c , a t , c o j ，们= mj m 2 m 3( 1 4 ) 这样，目前关于有限板表面裂纹的应力强度因子表达式写成： r = ： 髟= 盯，昃，砒如，9 ) ( 1 - - 5 ) yg 至八十年代以来，各国的研究工作者提出了各种f 的计算方法：如交替法、有 限元法、线性弹簧模型法、工程估算法、实验标定法等等。由于数学模型的不同， 方法各异，f 的差异也较大，这就给工程应用时选用哪种计算公式带来困难。值得庆 幸的是，美国航空和航天局( n a s a ) 2 对1 9 7 8 年以前的1 4 种k i 计算法进行了 比较。而且用s m i t h 的环氧树脂试件的断裂实验数据为依据，按与实验平均值的标 准误差大小进行排队，其中前三名是： r a j u n e w m a n 1 9 7 7 年 s m i t h1 9 6 6 年 n e w m a n g a j u 1 9 7 9 年 1 9 8 5 年杨芳毓以s c o d 方法测定裂纹最深点的自由表面影响系数为依据，对2 0 种k t 计算式作了进一步评价【2 “，其中前三名是： s c h r n i t t k e i m 1 9 7 9 年 n e w m a n - r a j u 1 9 7 9 年 m o d d o x1 9 7 5 年 杨的研究指出，作为工程计算和缺陷评定方法的制定依据，采用s c h m i t t - k e i m 解较为稳妥，它比其他各种解法大多数情况下更高一些，即偏安全，但在采用范围 和解的稳定性方面，n e w m a n r a j u 公式更为优越。n e w m a n r a j u 提出的方法是目前 应用最为广泛的一种方法。该方法不仅能计算半椭圆表面裂纹最深点的应力强度因 子k 1 ，也能计算表面点的应力强度因子k ，还能计算拉伸和弯曲复合载荷作用下的 k t 。在以往的弯曲载荷作用下表面裂纹的疲劳试验中，用k o b a y a s h i1 9 7 2 年的结果 计算疲劳裂纹扩展速率时，发现裂纹深度方向的扩展速率与a k 无关，即不符合p a r i s 公式，而现在用n e w m a n - r a j u 公式却符合较好。所以采用n e w m a n r a j u 公式解决表 面裂纹问题，如疲劳裂纹扩展速率及寿命预测，表面裂纹扩展过程中的形貌变化规 律等问题，具有很大的优越性。 第一章绪论 1 9 8 6 年我国华南理工大学进行了带缺陷圆筒的疲劳试验。材料是国产4 0 c r 钢， 内径3 0 m m 、径比1 2 1 3 2 的内壁带有缺陷圆筒，试验压力为5 8 8 4 mp a 及6 8 5 m pa 下进行的试验。提出了计算内壁缺陷的圆筒的疲劳寿命方法。结果如表1 2 所 列2 “。 表1 2 疲劳试验结果 t a b l e1 - 2r e s u l to f f a t i g u ee x p e r i m e n t 径 初始裂纹深度 破坏循环数自增强度疲劳寿命提高系数 自增强非自增强 r c rm 比a “m ) x = 一 2 丽圆筒n 圆筒n m r o h 1 2 00 0 0 0 83 4 2 13 3 0 81 4 2 7 1 0 3 4 2 1 2 l0 0 0 0 8 4 5 1 74 3 4 9 3 5 6 1 0 3 8 6 1 2 2 0 0 0 0 86 1 7 45 4 5 11 4 9 4 1 1 3 2 6 1 ，2 20 0 0 0 21 9 9 4 81 6 2 3 46 0 。6 1 1 2 2 8 8 1 2 40 0 0 0 22 5 3 2 02 0 5 1 22 6 3 9 1 2 3 4 4 1 3 0 o o 0 0 2 加0 0 42 9 3 0 12 7 3 1 l 6 3 4 1 0 7 2 9 由表可见，自增强处理使试验圆筒的疲劳寿命提高了3 2 4 ，还可以看到自 增强度小于某一值时，疲劳寿命提高系数p 髓x 增加丽增加，当x 大于某一值时“ 不随x 的增加而增加，存在一最佳自增强度。 该文献提出计算薄壁圆筒内壁浅长表蕊裂纹的应力强度因子计算式： 6 = 式中： m ，一前表面修正系数； s 。一内压引起裂纹尖端周向应力； m ：一后表面修正系数；s 。裂纹尖端周向残余应力； m ，一鼓胀效应修正系数：p 一循环操作压力； q 一塑性区修正系数：a 一裂纹深度。 该公式考虑自增强残余应力以及内压向疲劳裂纹侵入的因素对裂纹扩展的影 响，但应用于目前多数使用的径比k 2 的超高压聚乙烯反应管来说不太合适。 1 9 9 1 年机电部通用机械研究所朱磊等用上海石化总厂使用1 1 年的反应管预制人 工缺口进彳亍疲劳裂纹扩展速率的试验，研究了反应管使用1 1 年后和残余应力场下的 疲劳寿命。并通过未再次自增强管与再次自增强管的疲劳试验对比，研究了自增强 残余应力衰减对反应管疲劳裂纹扩展寿命的影响。试件内径3 4 m m ，径比2 3 内外壁 均有裂纹，循环压力在0 - - 2 9 4 m p a 下进行试验，结果见表l 一3 所示z “。 对于表中44 试件与54 试件的试验结果可见，自增强对于提高反应管的疲劳寿 命是非常有利的，虽然44 2 缺口比54 4 缺口浅，但5 ”一4 缺口的寿命却比4 回 一 0 ov i o l断 ) s pc 砉 一 + + 层层 肘 m m m m m 天津人学硕士学位论文 。一2 提高了8 0 ，54 3 也比4 “一1 提高了1 3 0 。而5 。一l 和54 3 。5 。 2 和54 4 可以看出，虽然自增强前开的缺口比自增强后开的深，但疲劳寿命却 大大高于自增强后开的缺口，说明了自增强使缺口应力集中部位产生较高的压缩残 余应力，大大提高了裂纹的萌生寿命。 表l 一3 疲劳试验结果 t a b l e1 - 3r e s u l to f f a t i g u ee x p e r i m e n t 缺口形状试验循环 破坏 n e w m a n 公式外璧修正n e w 缺口编号 a x 2 c 次数 次数 计算循环次m a n 公式计算循 ( m m )( n ) 数( n )环次数( n ) 4 “一l5 i 3 576 6 5 7 0 穿透漏油 1 0 4 5 3 23 4 1 8 6 经再 次自 增强 44 2l3 53 59 4 | 8 l 穿透嗣油 5 8 1 9 6 再次 5 。一1 52 x 3 l01 5 3 | 6 1 未产生裂纹 自增强 经过 前预制 5o 一2i 8 4 x 4 4 61 6 9 7 8 3 产生32 4 1 n m 的裂纹 再次 臼增 再次 5 。一34 6 x 3 5 0 1 5 3 1 6 l 穿透漏油 1 4 6 4 2 94 1 7 5 5 强 自增强 后预制 5 一41 6 x 53 7 1 6 9 7 8 3 穿透漏油 8 7 7 8 8 其计算应力强度因子k 。表达式为： 内壁裂纹： t - - - 憾= 嫱。+ h s 6 p f + 硝譬头f t , a | c ，c c o ，e 4 9 0 - 7 ) y 譬 外壁裂纹： f - - - a 6 = 一月& + 西) 罢f o t , a g c c o ，e ) m g ( 1 8 ) iy 从表中还可看出，采用n e w m a n 公式计算外壁裂纹的疲劳寿命时，计算值明显 大于试验总寿命，故其采用应力强度因子乘以1 2 的修正公式。这对于应用于其他尺 寸厚壁筒外壁裂纹的疲劳寿命计算来说，是难以应用的，而且也缺乏理论依据。并 且将残余应力和工作应力进行简单叠加，将裂纹尖端处于厚壁筒体弹性区( r o r r ) 时，看作残余应力o ，等于零，这对于寿命估算必然会带来危险的结果。 纵观厚壁筒疲劳试验的研究状况，对于完好圆筒的研究，理论上已趋于成熟， 而且在工程实际中德到了广泛的应用。对于带有缺陷的自增强厚壁筒的疲劳试验研 究还比较少，缺乏完善的理论分析和定量计算。 要想准确地计算带有缺陷自增强厚壁筒的疲劳寿命，需要大量的全尺寸管来研 究低周疲劳裂纹扩展规律，由于试验技术复杂，基本数据很少，研究者只能进行标 第章绪论 准试样的疲劳裂纹扩展速率测试、断裂韧性测试等试验，但这些标准试样的数据又 难以应用于自增强厚壁筒，因为标准试样的残余应力已经释放。许多研究者又指出， 只要准确地计算裂纹在应力场下的应力强度因子幅，就可以用小试样的裂纹扩展速 度来计算裂纹的扩展寿命。对于自增强厚壁筒而言，关键是如何考虑残余应力对裂 纹扩展的影响，耳前自增强残余应力研究者多采用镗削等破坏法进行测量或采用假 设材料为理想弹塑性的拉美公式计算，而且对于残余应力的松驰规律还没有完全弄 清楚，这就给自增强残余应力对裂纹扩展的影响的定量研究带来困难。 本文通过油田化工总厂研究所多年的试验研究提出的计算自增强残余应力的无 损监控方法以及残余应力松驰规律成果基础上，进行带有外壁缺陷的自增强厚壁筒 的疲劳试验，定量分析了自增强残余应力对裂纹扩展的影响，提出了工程适用的疲 劳寿命计算公式，并针对大庆在役聚乙烯高压反应管，根据其实际工况，进行了高 温下的d a ，d 。测试，k 。测试，并对其疲劳寿命进行了预测。 1 3 本文的目的、意义和主要研究内容 1 3 1 目的和意义 超高压聚乙烯反应器是聚乙烯生产装置的关键设备，疲劳破坏是聚乙烯反应管 失效的主要形式之一。为了提高反应管的抗疲劳性能，在制造过程中进行自增强处 理，使内壁产生较高的压缩残余应力。 自增强处理技术自1 9 1 3 年诞生以来得到广泛重视，并获得了迅速发展。自增强 技术的理论基础是厚壁筒的弹骥性应力分析。但迄今仍以理想弹、塑性材料假设条 件下的自增强理论为基础进行设计。通过分析发现，这种理论对于反向屈服发生的 估计条件是相当宽的。实际上即使径比k 1 0 6 时，n 。n 将增大，即这时主要的时间被裂纹萌生所占用。对于外 加交变应力水平高于材料的疲劳限以上的应变疲劳范围内，疲劳破坏总寿命的9 0 以 上是由裂纹扩展阶段所占有“。对于大庆超高压聚乙烯反应管而言。即使残余应力 衰减到零，经疲劳强度核算，其疲劳寿命也是足够的口。但是，超高压聚乙烯反应 管在制造过程中内壁产生微小缺陷以及焊接缺陷，并且反应管在长期运行期间舛壁 受到腐蚀介质的侵蚀而产生的缺陷，这些缺陷作为裂纹源就会引起疲劳裂纹的扩展， 所以研究疲劳裂纹扩展寿命是势在必行的。 2 2 2 疲劳裂纹扩展规律描述 高强度钢制压力容器、超高压容器、大型球罐以及管道的断裂和疲劳破坏是以 表面缺陷为裂源发生的。对于一个初