文档介绍：第 28 卷第 1 期核动力工程 Vol. 28.
2 0 0 7 年2 月 Nuclear Power Engineering Feb. 2 0 0 7

文章编号:0258-0926(2007)01-0026-06

具有内表面裂纹高压厚壁圆管的疲劳寿命分析

宋顺成 1,黄建文 2,许湘1

(,成都,610031;2. 中国兵器科学研究院宁波分院,浙江宁波,315103)

摘要:从 KI 的基本表达式出发,利用 Schmitt-Keim 影响系数并考虑压力介质的影响,对两支具有初始裂
纹的模拟管进行了 KI 计算。计算 KI 达到 KIc 的裂纹深度,与实验一致。本文将 Paris 方程作为厚壁圆管内表
面裂纹扩展速率模型并给出方程系数,计算结果与实验结果相吻合。在此基础上计算了实验模拟管的疲劳寿
命,给出了压力-疲劳寿命关系曲线。不失一般性,给出具有内表面裂纹高压厚壁圆管的疲劳寿命保守计算。
关键词:厚壁圆管;表面裂纹;疲劳寿命
中图分类号:O346. 2 文献标识码:A

1 引言选择两只模拟管进行疲劳实验,编号分别为
# #
内部承受高压的厚壁圆管广泛用于化工、石 1 和 2 。两只模拟管的材料(38Cr 合金钢)和几何
油钻探和开采中的钻井泵、压力泵、注水泵以及尺寸相同,模拟管外半径 b=,内半径
发电设备中。由于这类设备工作压力很高,而且 a=13mm,壁厚比 Rw=(图 1)。在实验模拟管
工作压力往往是交变循环的,因此,厚壁圆管运内表面人工制造了初始裂纹,然后在管内循环加
行的可靠性受到人们极大关注。特别在某些情况压直至模拟管破坏。由于两只模拟管的内表面加
下,厚壁管设计及厚壁管使用期间的安全性都具工的初始裂纹尺寸不同,即初始裂纹深度 c 和半
有严格的要求。为此,分析厚壁圆管的疲劳寿命椭圆裂纹的长半轴长度 cl 不同,使得循环加压过
对于保证结构完整性和设备安全性都具有重要意程中 c/c1 的值不同,从而影响了其疲劳寿命。表
义。对于高压和超高压设备疲劳寿命估算的常规 1 给出了两只模拟管 c/c1 的实测值。
方法,建立在光滑试件疲劳实验的基础上,将光
滑试件的疲劳强度引入有效的应力集中系数,从
而给出高压和超高压设备疲劳寿命估算。这种方
法比较粗糙,断裂力学的发展为高压和超高压设
备疲劳寿命估算提供了新的途径。本文利用断裂
力学理论并结合高压循环实验,给出了高压厚壁
圆管的疲劳寿命计算。该计算的实验基础是直接
和可靠的,可安全估计具有内表面裂纹高压厚壁
圆管的疲劳寿命。

图 1 受内压作用的厚壁圆管
2 实验介绍 Fig. 1 Thick-Wall Tube Subjected to Inner Pressure
疲劳裂纹的产生和传播一般发生在厚壁圆管
的内表面,特别对于未经自增强的厚壁圆管更是为了给研究疲劳寿命计算提供实验依据,用
如此。本文的实验和计算都是针对起始裂纹在内勾线法记录了实验模拟管内压循环次数与裂纹扩
表面的情况。展深度的对应关系。为了使裂纹扩展线清晰可见,

收稿日期:2005-11-20;修回