浅谈城市燃气工程中压力容器的疲劳寿命
摘 要：文章利用安全评价方法计算了城市燃气工程中压力容器泄露可能导致的能量释放，利用断裂力学知识分析了城市燃气工程中常用的不断循环使用的压力容器的疲劳寿命。
关键词：城市燃气；压力容器；疲劳寿命
中图分类号：TH49文献标识码：A文章编号：1006-8937（2012）11-0099-02
目前随着我国“西气东输”和“川气东送”工程的实施，城市燃气应用已经比较普及，各地都在建设新的燃气工程，这无疑是一件好事, 对于提高经济效益, 减少城市大气污染, 方便居民生活等各方面都带来好处，但随之而来的各类安全问题也给人们带来了深深的忧虑。在城市燃气众多安全问题中，压力容器的安全问题无疑是重要的组成部分。城市燃气工程中使用的压力容器小的如CNG气瓶，大的如储气球罐，这些容器都有一个共同的特点，那就是它们都会遭受疲劳破坏。结构或构件在在交变载荷的作用下产生的破坏即为疲劳破坏。因此如何确定这些容器的疲劳寿命就是一个重要的问题。天然气管道在正常使用情况下内压波动不大可能出现，但是作为未来可能储气手段的一种，高压管道储气方面已经进行了大量的研究，预示这项新技术未来在城市燃气工程中一定会有大的用处。
1 疲劳寿命估算的必要性
随着技术的进步，压力容器的使用压力越来越高，因此破坏后的危害也越来越大，造成的危害主要有两方面，容器破裂释放出来的能量和泄露出来气体可能爆炸的能量。下面就分别简单计算一下这两方面的能量
1.1 破裂能量计算
根据破裂能量评价的Broad公式：
E=V
式中：E为破裂的能量，MJ；P1为容器内介质的初始压力；P0为大气压力，MPa。
压缩天然气汽车上的钢瓶储气压力按20 MPa计，容积按50 L计根据上式计算破裂能量有：
E=（20-0.1033）/（1.4-1）×50×0.001=2.5 MJ，即泄露出来的燃气即使不发生燃烧爆炸释放出的能量也会有2.5 MJ，会对周围人员造成伤害。至于更大容量的CNG气瓶如用于储气的CNG集束气瓶一但泄露危害就更大了。
1.2 可能爆炸能量计算
根据文献[1]中相关计算公式：
Q=W?坠＇ξξ1H1/4180
式中，Q为TNT当量，kg；W为TNT储藏量，kg；?坠＇为可燃气体的气化率；H1为可燃气体的热值，Kj/kg；ξ为爆炸系数；ξ1为TNT转化系数。
W=1 000（N/1 000）n
式中，N为可燃气体的实际储藏量，kg。当N的数值小于1 000时，n=1；当N的数字大于或等于1 000时，n=0.5。
气化率?坠＇对于气态储存为1对液化石油气或LNG等液态可燃气体则要通过以下公式计算：
?坠＇=（H1-H2）/L
式中，H1为液体沸点时的质量焓，KJ/kg；H2为从容器中流出前液体的质量焓 KJ/kg；L为燃气的气化潜热，KJ/kg。
根据上述公式，同样的50L气瓶，工作压力20MPa，则可燃气体的实际储量N=20×50×0.001×10×0.74=7.4。
N＜1 000，则n取值为1，W=7.4，则：
Q=7.4×0.06×0.064×3600/0.74/4180=0.033kg。
即它的爆炸威力相当于0.033kg的TNT炸药，一个CNG气瓶如此，一个储罐的威力就更大了，发生事故往往损失惨重。5 000m3储气压力为0.9MPa的储罐的破坏效应将达到
近500m以内的周边区域。而破裂的直接影响只在150m的范围内, 当然没有考虑由此引发的二次爆炸, 显然这种影响同样是不能忽视的。而且，随着储气压力的升高，这一范围还会扩大。
鉴于压力容器失效的危害巨大，因此对压力容器的寿命估算一直是一个重要问题。现代的压力容器的设计规范使压力容器的设计应力越来越高，各种高强度合金钢在压力容器中的应用也越来越多，用这些钢制作的压力容器在制造和使用过程中产生缺陷的倾向都比较大。因此压力容器产生疲劳破坏的可能性在增大，压力容器的疲劳失效已经成为一个比较突出的问题。而且疲劳失效有一个重要特点是发生时候没有先兆，会出现未泄露而突然破坏的事故，这些事故往往都是灾难性的。
世界各国对压力容器的破坏事故进行了大量的调查，统计分析，根据英国原子能局对英国符合压力容器规范的12 700台压力容器进行的事故实况调查得到的数据见表1、表2。另外我国也做过相关的类似的调查，结果见表3。
由表1、表2、表3可以清晰的显示裂纹是压力容器事故的主要原因，而疲劳裂纹又是裂纹导致事故的最主要形式。实际构件在制造和使用过程中不可避免的要产生这样或那样的缺陷，如锻造缺陷，焊接缺陷，腐蚀裂纹。特别是腐蚀裂纹，在天然气脱硫脱水不可能完全的情况下，腐蚀裂纹是必定存在的。这些裂纹在疲劳载荷的作用下，裂纹将以一定的规律扩展，当裂纹扩展到材料的断裂韧性所决定的临界裂纹尺寸时，构件就会破坏。
2 疲劳寿命估算
传统压力容器的设计是以强度理论为基础的。按照传统的强度理论，设计时除对此案料的塑性指标以及韧性指标提出一定要求外，首先根据构件的工作条件，进行定量的应力分析，只要最大应力强度不大于许用应力就认为构件是安全的是安全的，但是这种做法是认为组件是密实的，没有空隙和裂缝的，因此与实际是有差别的。现代断裂力学的发展为含缺陷的压力容器寿命估算提供了可能，
根据裂纹的扩展规律，构件的裂纹尺寸，材料的断裂韧性以及有关的工作条件就能够确定出保证含裂纹构件运行的安全寿命。由经典的PARIS公式可以计算疲劳裂纹的扩展的趋势：
=A（△K）
式中，A，m是与材料及其使用条件有关的常数可以通过实验获得。
一般应从使用容器上取样，按有关规定进行实测。当无法实测的时候可以进行近似估算，按GB/T19624里的取值，不过结果是比较保守的。
△K=△σ
式中，△σ为交变应力幅值，a为当量穿透裂纹尺寸。
理论上可以通过积分得到疲劳寿命：
N=
式中，a0为初始当量裂纹尺寸，ac为临界裂纹尺，mm。
以CNG气瓶为例，内径为490 mm，厚度为19 mm的压缩天然气气瓶，材料为4130X钢，根据文献[3]的结果该容器临界裂纹深度分别为3.4 mm和3.9 mm（不同腐蚀溶液条件下，即模拟不同H2S组分的天然气充装）取中间值为3.7mm（注实验结果是取了安全系数的）， 容器的最大环向应力为:
σmax=（20×490/2/19）=258 MPa
假定最小压力为2MPa，则交变应力变化范围为:
△σ===232 MPa
根据国标19624-2004，取A=6.44×10-14m=3.35。
对PARIS公式积分，得到：
N=（1-）
式中，△K=Y△σ。
将值代入式子，假设初始裂纹为2 mm，则N=236次。
根据国家标准GB17258-1998《汽车用压缩天然气钢瓶》CNG钢瓶的设计使用寿命。压力循环按每年750次，约等于：每天充装2次，每周7 d，每年52周；每天充装3次，每周5 d，每年52周；15年等于1 1250次压力循环规定疲劳试验；12 000次，保证设计寿命15 a。
根据计算结果在很短时间内气瓶就会出现失稳状态，不过由于公式中系数选取的安全余量比较大，难免对结果的准确度造成很大影响。但是还是可以看出内部缺陷的大小对疲劳寿命的影响很大,约2 mm初始裂纹将导致CNG气瓶于100 d后失效损坏。
但是该方法在实际应用中也存在很多问题，如探伤设备精确度和操作环境的影响导致初始裂纹尺寸测量有误差，分散度较大。而且公式中很多参数，如交变应力幅值裂纹扩展速度都是不确定量，是服从某一分布的随机变量，导致了整个疲劳裂纹扩展问题不是一个确定问题而是一个随机问题，因此要想提高分析精度要使用统计学的方法，求得给定寿命下的可靠度，或对应于某一可靠度的剩余寿命。
3 结 语
本文利用安全评价方法计算了城市燃气工程中可能会出现疲劳失效的压力容器的失效后果，说明了相关容器寿命估算的必要性。以断裂力学知识和疲劳可靠性理论为基础给出了压力容器结构在给定可靠度、置信度下的疲劳寿命计算公式。
参考文献：
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