压力容器低循环疲劳设计.ppt

压力容器低循环疲劳设计基础,1.1低循环疲劳问题的提出,疲劳是指金属在承受交变应力或应变作用下逐渐产生局部地区的永久性结构改变，且在一定循环次数以后，在这些地区能导致裂纹穿透构件或使构件全部断裂。,1.1.1高循环疲劳和低循环疲劳,19世纪上半叶，人们发现，矿车心轴，在长期安全使用以后在轴肩处突然出现断裂。,图1-1 轴肩处的高循环疲劳断裂,德国人维勒（August wohler）的模型试验，即将圆形试棒施以对称循环的交变应力，测量交变应力水平和直到该试棒断裂为止的循环次数Nf的关系。提出了Sa-Nf曲线（又称维勒曲线）以及材料的抗疲劳持久极限s1的概念，s1是指试棒保持在Nf 107仍不断裂所承受的疲劳应力幅。,压力容器的疲劳破坏问题是在19世纪中才开始逐步发现、发展起来的，压力容器和轴类零件高循环疲劳问题的主要区别是轴类零件的应力水平低，而压力容器的应力水平则较高。压力容器在整个使用寿命期间所承受的交变载荷次数一般都不会超过105，只要求具有有限的寿命。轴类零件含碳量较高，强度高，表面加工质量要求高；而压力容器用材强度级别较低，延塑性较好，难以对表面粗糙度提出较高的要求。,压力容器的低周疲劳破坏,1.1.2安全寿命设计和破损安全设计,安全寿命设计 根据容器元件所承受的交变载荷，用压力容器设计中所常用的基于弹性力学的板壳理论和材料力学等方法求取元件的交变应力幅并将它限于某一由实验得到的、和载荷循环次数相对应的许用应力幅以下，因而保证了该容器在该应力水平和载荷循环次数以下是安全的。破损安全设计 它承认材料存在缺陷，根据裂纹在交变应力作用下的扩展速率而求取在所要求的交变载荷循环次数时裂纹的扩展长度（或深度），并根据该容器（或受压元件）的实有厚度判断该容器（或元件）是否安全；或求取裂纹扩展到某一允许长度（或深度）时所可以承受的交变循环次数，并由该容器所受交变载荷的设计循环次数来判断该容器（或元件）是否安全。,1.2疲劳破坏的原因,一般认为，金属材料在交变载荷作用下所引起的疲劳失效可以看为能量的积累及转换过程，金属材料在交变载荷作用下所引起交替的塑性流动是导致裂纹形成的能量来源。在开孔接管区，支座区或其它局部载荷区，圆筒和封头相连接的边缘区，焊缝的错边、咬边或余高区，焊缝的垫板区，由于种种加工原因而引起的表便插伤或刻痕区，以及引弧区、钢印区等，这些局部地区在正常操作条件下的应力超过材料的屈服强度而引起塑性变形。在压力容器的总体区域，也可能存在原始缺陷、焊接缺陷或焊接残余应力，这些相当于应力集中源，缺陷尖端的应力在操作条件下也会超过材料的屈服强度而使之引起塑性变形。,根据能量的积累和转换的观点来分析疲劳破坏的起因，显然，在加载、卸载过程中在材料的应力应变图上所构成滞回线的面积越大，则越易发生疲劳破坏。根据分析得到三点启发.第一点，为使构件在每一个循环的交变应力作用下尽可能的吸收最少的塑性变形能，所以要求材料具有循环硬化性质，避免采用循环软化性质的材料。,图12 金属材料的循环硬化及循环软化,经过退火处理的钢材是典型的循环硬化材料；而通过这种方式经冷作硬化的钢材，则是典型的循环软化材料。,ST/S0.21.4时（相当于S0.2/ST0.83）,一般属于循环软化材料；ST/S0.2界于1.21.4之间（相当于S0.2/ST界于0.83-0.71之间），则一般循环稳定材料，即既不产生循环软化，也不产生循环硬化。,第二点，在容器的结构设计中，采取种种措施以减少各种原因引起的应力集中。,图13 局部高应地区的加载和卸载循环,第三点，在容器的制造中，和结构要求相配合，采取种种措施以减少应力集中。例如，无论采用补强圈补强、厚壁管补强，除直径不超过100mm且不受外部载荷的仪表孔、检查孔等接管外，接管、补强圈和壳体间的焊接一律要采用全焊透连接结构；在接管与壳体的连接部位，一律要求按照规定的半径尺寸打磨成圆角等，都是为了减少局部高应力。,1.3疲劳曲线,金属材料在交变应力下，所能承受的交变应力幅值Sa和直到断裂为止所需循环次数Nf之间的关系，通常用疲劳曲线SaNf曲线进行描述。,Nf,Sa,1.3.1交变载荷下的应力时间曲线,如图14表示交变载荷下应力时间曲线，又称应力谱曲线。图中 Smax循环期间的最大应力（代数值）；Smin循环期间的最小应力（代数值）；Sm循环期间的平均应力，Sm0.5（SmaxSmin）；,图1-4 交变载荷下的应力时间曲线,Sr循环期间的应力范围，SrSmax-Smin；Sa循环期间的应力幅，Sa0.5（Smax-Smin）；R应力比，为最小应力与最大应力比值，R=。由以上可知：SmaxSmSa SminSm-Sa R=1为拉伸或压缩静载荷（SmaxSmin）；R=0为脉动载荷（Smax0，Smin0）；R=-1为对称循环载荷（Smax-Smin）。,1.3.2高循环疲劳曲线,高循环疲劳曲线通常用简支或悬臂的试棒在旋转弯曲下获取，试件的应力幅Sa低于材料的屈服强度Sy，所受的载荷为对称循环载荷，在维持恒定的应力幅作用下记录试棒直到断裂时的循环次数Nf。如图15即为高循环疲劳曲线。,图15 高循环疲劳曲线,抗疲劳持久极限,用实验测试材料的抗疲劳持久极限1极为费时，所以当缺乏数据时，可以根据由前人归纳的由常规力学性能近似地推算出抗疲劳持久极限值。一般钢材 10.35ST+122MPa；高强度钢 10.25（1+1.35）ST；其中 为材料的断面收缩率；有色金属 10.19Sk20MPa；其中 为材料拉伸断裂时的真实应力。,1.3.3低循环疲劳曲线,在低循环疲劳中，往往采用材料的应变幅a和循环次数Nf作图，用aNf曲线表示材料的抗疲劳性能。由于SaEa0.5E,所以在低循环疲劳曲线中形式上仍然可以标为SaNf关系，而实际上却是0.5ENf的关系，即在材料进入屈服以后，疲劳曲线的纵坐标表示虚拟应力幅而并非真实应力幅。朗格（B.F.Langer）首先解决了用材料的抗疲劳持久极限1和其它常规力学性能来表示低循环疲劳曲线的问题。见图1-6，在应力应变的每一循环中，材料的总应变值由弹性应变值e和塑性应变值p两部分组成：e p,（1-1）,图1-6 应力应变循环,其中Se为弹性应变值部分所引起的弹性应力幅。弹性应力幅和循环次数Nf之间的关系可由高循环疲劳曲线求得。,柯芬（L.F.Coffin）在低于金属的蠕变温度下，对各种材料在Nf105的范围内进行了试验，得出了p和Nf之间的关系，可表示为：,当材料进入塑性状态后，可以用总应变值和弹性模量E的乘积表示材料的虚拟应力范围：SrE 因此，材料所承受的虚拟应力幅为,式中C为和材料种类有关的常数，根据柯芬的试验，在静拉伸载荷时，可看作Nf0.25，故可得拉伸断裂时C=0.5p0.5f，f为静拉伸断裂时的真实应变。在塑性状态，根据材料在变形时体积不变的关系，可以求得静拉伸断裂时真实应变f和材料断面收缩率之间得关系为,故可得,于是可得,以此关系代入（11）而得,由于Sef（Nf），由高循环疲劳曲线可知，在所有高循环范围内，Se1，所以如取Se1代入上式，则所得的应力幅值Sa总是偏小，即偏于安全。所以可取,（1-2）,由图1-8可知，在低循环区（Nf105以后，则弹性应变e对疲劳寿命Nf起主要作用，属于典型的高循环疲劳。,图1-8 e、p、和Nf的关系,由pe，以及前述由柯芬所导得的在Nf105时，的关系，并取弹性应变范围，则可得,根据工况需要及材料的疲劳性能，适当选材。,1.4 影响低循环疲劳性能的 因素及其处理,1.4.1影响低循环疲劳性能的因素 实际的压力容器元件和标准试件相比无论从结构形状、载荷条件等方面至少存在以下各点不同之处，这些区别直接影响了压力容器的低循环疲劳寿命。（1）载荷类型 压力容器元件所受的载荷可能是拉伸、压缩、弯曲及剪切，显然和标准试件仅受对称循环的弯曲载荷不同，直接影响了元件的抗疲劳性能。（2）尺寸的区别 压力容器部件受载截面的尺寸有大有小，不可能和标准试棒的尺寸相同，尺寸不同在一定程度上也影响了材料的抗疲劳性能。,（3）材料表面条件的不同 压力容器各元件的表面不可能和标准试件那样磨光，而且由于各中冷热加工成形会导致材料表面力学性能的改变，并留下种种形式的残余应力，因而影响了元件的抗疲劳性能。（4）应力集中 标准试棒并不存在应力集中，它所承受的弯曲应力可以根据梁的弯曲原理进行计算；而压力容器元件往往存在各种形式的应力集中，在按照标准试棒所得数据进行疲劳分析时，应该计及应力集中对于疲劳强度的影响。（5）平均应力的影响 标准试棒所承受的是对称循环载荷，应力R=-1；压力容器元件所承受的载荷很少是对称循环载荷而主要地是各种不同情况的波动或脉动载荷，0R1,此种载荷可以看作为一静拉伸载荷和一对称循环载荷的叠加，在元件上所引起的应力可看作为一平均拉伸应力和一对称循环应力的叠加，所以存在平均应力对疲劳寿命影响的问题。,（6）非恒定应力幅的影响 不论是高循环疲劳或低循环疲劳，其交变应力幅Sa和交变循环次数Nf之间的关系都是指在某一交变应幅Sa作用下直到使该元件疲劳为止的交变循环次数Nf之间的关系。而实际工作中所遇到的压力容器往往是在不同的交变载荷值、即在各个不同交变应力幅的累计作用下，分析该容器的安全与否，很少在整个使用寿命期间都在同一交变应力幅作用的情况，所以存在一个疲劳损伤的积累问题。(7)运行环境及其它 压力容器的运行环境显然和测试疲劳数据用试棒所处的环境不同，它可能存在腐蚀、高温蠕变以及中子辐射等恶劣环境下运行，这些因素显然会大大影响容器的疲劳寿命。,1.4.2对影响低循环疲劳因素的分析及处理,1.4.2.1疲劳设计曲线安全系数的考虑 将SaNf曲线引入安全系数，将交变应力幅Sa和交变循环次数Nf调整为许用交变应力幅和许用交变循环次数Nf。JB4732-95对容器用钢的SaNf曲线取疲劳寿命Nf所采用的安全系数为：考虑到数据的分散性，取安全系数为2.0；考虑到构件受载截面的尺寸影响，取安全系数为2.5；考虑到表面条件、使用环境等的影响，取安全系数为4.0。将上述三种因子相乘而得对疲劳寿命Nf所取得安全系数为2.02.54.020，,并同时对应力幅Sa取安全系数2.0，对SaNf曲线进行调整，以二者中得较低值作为设计曲线，见图1-7。,图17 304等奥氏体不锈钢设计疲劳曲线绘制,1.4.2.2疲劳曲线的修正平均应力影响的考虑,对压力容器的低循环疲劳设计，可以从三个方面来分析拉伸平均应力对疲劳寿命的影响。1 真实平均应力（1）SmaxSy,图112 SmaxSy时的平均应力,名义的、即实际的交变应力幅为,名义的、即实际的平均应力为,（2）SySmax2Sy,图113 SySmax2Sy时的平均应力,如图113仍以外加脉动载荷为例讨论，此时名义交变应力幅为名义的平均应力为 调整后的、即实际的最大应力 调整后的、即实际的最小应力 调整后的、即实际的应力幅为 调整后的、即实际的平均应力为,实际最大应力调整为实际最小应力调整为调整后的、即实际的交变力幅为调整后的、即实际的平均应力为,（3）Smax2Sy,图1-14 Smax2Sy时的平均应力,2 平均应力对低循环疲劳寿命的影响 根据低循环疲劳的特点，一律采用经调整后的实际平均应力代替名义平均应力。古德曼（J.Goodman）具体研究了平均应力Sm对直到使构件断裂为止该构件所能承受的应力幅Sa德影响的关系。JB4732-95采用的为古德曼关系，如图115。,图115 古德曼关系,(1-4),(1-5),3 考虑平均应力对低循环疲劳影响而对SaNf曲线的修正（1）SmaxSy 如图116，直线CD即为古德曼关系；并取纵、横坐标上均为材料屈服强度Sy的A、B两点间辅助线AB，则SmaxSmSaSy。,图116 SmaxSy时修正的古德曼关系,（2）SySmax 2Sy 见图117，可以由CD直线表示的古德曼关系和由直线AB直线表示的屈服辅助线。图解法分两步：求真实的平均应力 求得实际平均应力后，可图解求得。,图117 SySmax2Sy 时修正的古德曼关系,（3）Smax2Sy 根据图113的分析，此时调整后的实际平均应力，说明平均应力对低循环疲劳寿命不起影响，所以也就不存在求取当量应力幅以及对SaNf曲线进行修改的问题。,对称循环的SaNf曲线,图118 平均应力对SaNf曲线的最大影响,（4）平均应力对SaNf曲线的最大影响 设在N循环次数为N时材料所能承受的最大应力幅为SN，见图118。,所以可得上式中的循环次数N可以是任意值，所以也可以写成一般式：,（SaSy）（1-7）,式中 Sa未计及平均应力对疲劳寿命影响时的许用应力幅；考虑了平均应力对疲劳寿命的最大影响后降低了的 许用应力幅。,图119 计及平均应力后对SaNf曲线的修正,事实上由于平均应力的大小不同，对疲劳寿命的影响也不同，采用不论平均应力多大、一律以它对疲劳寿命所可能引起的最大影响来对SaNf曲线进行修正的做法，当然是偏于安全的，但这种偏于安全有可能导致设计过于保守。以某一经过热处理的高强度螺栓用钢为例，如已知ST=1055MPa，Sy914MPa，1527MPa，并已知 在Nf2000时，Sa914MPa；在Nf10000时，Sa668MPa。在Nf2000时，SaSy914MPa，要考虑平均应力对疲劳寿命的影响而对SaNf曲线进行修正。求取在Nf10000时经修正的；,在Nf10000时经修正的 值只有Sa值的一半还不到，甚至连1值的一半还不到，这样偏于安全的修正显然过于保守了。对经过热表面处理而Sy/ST比值较高的高强度螺栓用钢在采用按式（1-7）的修正后出现过于保守的结果。为此计及平均应力对低循环疲劳寿命的影响时，按照彼德森提出的下式表示平均应力对疲劳寿命的影响关系进行修正。,(1-8),对于螺栓的疲劳设计曲线，区分ST690MPa的高合金钢螺栓，规定采用不同的设计曲线。ST690MPa的高强度螺栓用钢用式（18）表示的彼德森关系，并计及名义平均应力调整为实际平均应力后进行修正。,1.4.2.3应力集中系数和疲劳强度减弱系数,压力容器如因母线曲率的突然改变；厚度突然变化，支座或接管的支承反力作用，开孔接管及补强，焊缝的错边、咬边和焊接缺陷等处，都存在各种类型的局部应力升高现象，且难以计算。规范只能以直接给定应力集中系数或疲劳强度减弱系数的形式供设计人员选用。Kf值不仅和应力集中处的几何尺寸有关，而且和材料性能有关。在进行抗疲劳分析时，应采用疲劳强度减弱系数Kf值以计及应力集中和材料性能对疲劳性能的综合影响。Kf也可以称为有效应力集中系数。,由实验测量结果知，由于实际材料不可能是绝对脆性，所以疲劳强度减弱系数Kf一般总小于理论应力集中系数Kt。归纳认为：(1)对于一般钢材，KfKt;(2)应力集中地区的应力梯度越大，例如，过渡圆角半径r越小，则Kf值越小于Kt值，反之，如应力梯度越小，例如，过渡圆角半径r越大，则Kf越接近Kt值。但要指出的是，Kt值本身却随着过渡圆角半径r的增大而减小。(3)试件尺寸越大，则Kf值越接近Kt值，试件尺寸越小，Kf值越小于Kt值。(4)材料的强度或硬度越高，则Kf值越接近Kt值，抗拉强度或硬度越低，则Kf值越小于Kt值。,1.4.2.4疲劳分析中的积累损伤,线性积累损伤每一交变应力循环，只要交变应力幅值超过材料的抗疲劳持久极限1，对构件都会引起的一定损伤；其损伤程度根据交变应力幅值大小按交变循环次数n和在该交变应力幅下由SaNf曲线所查得的许用循环次数Nf之比值确定；不论是同一应力幅值或不同交变应力幅值对构件引起的损伤是逐步积累的，其积累的关系即按比值 进行叠加，与不同应力幅值的加载先后次序无关，所以成为线性积累损伤。,交变应力幅值Sa2的实际循环次数为n2，在此Sa2应力幅时由SaNf曲线查得的许用循环次数为Nf2，则受载构件所造成的损伤率，可以用U2表示。可取下式作为检验该受载构件是否会导致疲劳破坏的判据：,设交变应力幅值Sa1的实际循环次数为n1，在此Sa1应力幅时由SaNf曲线查得的许用循环次数为Nf1，则受载构件所造成的损伤率，可以用U1表示。,1.4.2.5影响低循环疲劳性能的其它因素,介质对容器的均匀腐蚀使受载截面的厚度减薄，不均匀腐蚀更会使材料表面引起凹坑等应力集中源，都会直接降低疲劳寿命，但ASME规范目前尚无法以定量形式计及腐蚀对疲劳寿命的影响，只能由设计人员用正确的选材以防止腐蚀来回避这问题。对于压力容器的低循环疲劳，其载荷频率一般甚低，不致发生载荷的改变和材料的塑性变形不同步的问题，所以载荷频率对疲劳寿命不再有影响。在低温蠕变温度时，温度对材料的抗疲劳性能基本上没有影响，所以一般不考虑温度对疲劳寿命的影响。仅在各不同温度时，由于材料的弹性模量略有改变而影响到由应变幅值到应变幅值的转换，所以，在应用某一实验温度下（一般为常温）所表示的SaNf,设计曲线时，应把设计状态的交变应力幅乘以 进行修正，其中，E曲线系指设计曲线所用的材料弹性模量。E设计系指该材料在设计温度时的弹性模量，用经修正了的交变应力幅SaNf设计曲线上查取相应的许用应力幅以判别该构件的安全与否。,1.5疲劳分析方法及设计疲劳曲线,以疲劳分析为基础的设计是以应力分析为基础，在结构满足一次应力和二次应力的限制条件的前提下，利用设计疲劳曲线，评价结构承受疲劳载荷的能力。也就是说，在操作工况、结构形式尺寸、材料性能等情况确定后，在详尽的应力分析完成后，方可进行疲劳分析。疲劳分析设计的步骤及方法如下 1.疲劳载荷 载荷分析目的是确定容器及其部件所承受的外载形式、量级、作用区域和波动范围，以此为前提确定容器的各部件的设计计算条件，从而根据标准规定的结构形式和计算方法确定结构形式参数。,在标准中没给出所要求结构的情况下，可自行确定结构形式，但此时的结构尺寸参数为“设定值”，最终的结构尺寸要待疲劳分析全部完成后方可确定。载荷分析的最终结果应为载荷分析报告。其中应包含如下内容：a.操作条件下的载荷谱，即在预计的操作条件下，在一个操作周期内，所考虑的载荷随时间的变化。b.根据载荷谱所确定的计算条件，包括压力、温度变化和外载荷等。c.具有应力分析资格的人员签署。,2.应力分析 应力分析的目的是为确定规定载荷作用下，元件内所考虑点的应力随时间的变化，并以此为基础确定交变应力强度幅Salt。应力分析的最终结果应为应力分析报告，其中应至少包括如下内容：a.结构力学模型：根据结构的几何参数、载荷类型和分析部位所建立的简化计算模型。其给定边界条件应符合实际构件变形规律；b.所选择的计算方法：对于复杂结构的结构应力分析，现在一般都采用有限元方法。对于由实验数据的结构，也可以采用应力指数法或其它方法。c.计算结果和讨论：计算结果中应包括结构的应力分布、所选择的应力评定点、所选择截面的应力分布及最大和最小值。d.计算和审核人员的签署：应具有分析设计资格。,3.设计疲劳曲线应用 JB4732共规定了四张疲劳设计曲线图，其总体思想为：同类、同强度材料具有相同的抗疲劳性能。图C-1规定了温度低于375的碳钢、低合金钢的设计疲劳曲线，其中依强度级别不同规定了b552MPa和b793896MPa两曲线。当循环数N5103时，b Sa,图C-2规定了温度不超过425的奥氏体不锈钢当循环次数N106时的设计疲劳曲线；,图C-3规定了循环数N106、N1011时的奥氏体不锈钢的设计疲劳曲线。需要应用C-3中的曲线A、B时均需进行平均应力修正。修正公式如下：,其中：当Sams时 当Sams,Sas时 当Sas式中:Sa：计算所得交变应力强度幅，MPa；Sa：平均应力修正后的交变应力强度幅，MPa；m：计算所得平均应力（名义平均应力），MPa；s：材料屈服限，MPa；a：材料拉伸限，MPa。,图C-4规定了高强度螺栓的设计疲劳曲线，即b690MPa的高强度螺栓，在本标准的材料表中的由如下材料：（a）30CrMoA（b）35CrMoA（c）35CrMoVA（d）25Cr2MoVA（e）40CrNiMoA 对于其它螺栓材料：35号钢，应用图C-1；0Cr18Ni9和OCr17Ni2Mo2依循环数不同分别应用图C-2或图C-3。,4.交变应力强度幅的求取 交变应力强度幅的求取以操作载荷条件为基础进行计算，应力分为两种情况：主应力方向不变和主应力方向随时间改变的情况。（1）主应力方向不随时间改变情况 a.确定所考虑点在整个应力循环中三个主应力与时间的关系，主应力方向由考虑了总体和局部结构上不连续及热效应所得到的总应力（应力峰值）导出。b.计算在整个应力循环中与时间相对应的主应力差（18）,c.在整个应力循环中，确定主应力差最大范围，用 表示：（19）计算各主应力差的交变应力强度幅，按式（110）计算考虑点的交变应力强度幅：SaltmaxSalt12,Salt23,Salt31(1-10),(2)主应力方向随时间改变的情况a.确定所考虑点在整个应力循环中六个应力分量 与时间的关系。b.选取应力循环中的极值点（代数最大或最小）所对应的时刻，将此时刻的各应力分量定义为c.求取与时间对应的波动应力分量（111）,d.求取由六个波动应力分量所导出的波动主应力 这些波动主应力虽然在循环中有方向改变，但其编号不变。e.在整个应力循环中，计算波动主应力差与时间的关系：（112）f.确定各波动主应力差的最大波动范围，用Srij表示：（113）计算各波动主应力差的交变应力强度幅，按式（110）计算所考虑点的交变应力强度幅Salt。,5.疲劳强度校核 对于求得的Salt需按下式进行温度效应修正：其中:E相应设计疲劳曲线规定的弹性模量；E所选材料在操作温度下的弹性模量。然后用Salt查取相应设计疲劳曲线求取允许循环次数N,进行校核。对于多个应力循环，应分别进行Salt的计算和校核，然后考虑累积损伤。值得注意的是，当几个循环共同作用时，要考虑循环叠加的影响，因为其可能产生比单一循环大的多的应力差值范围。应力循环叠加将对计算起到非常大的影响，因此考虑循环叠加的影响。,1.6疲劳分析免除规定,1.疲劳分析免除的工程考虑 疲劳分析是建立在应力分析基础之上，计算工作量很大，能否在一定的条件下免除疲劳分析，是设计人员所关注的问题。标准规定的疲劳分析免除条件成立的可能性是基于如下考虑：（1）结构总体上必须首先满足Pm（pL）+PbQ3Sm的安定条件，因Sm为 中的小者，而我国规范中的材料基本上Sm由b控制，与P+Q2s相比较，对于材料说有一定的裕度；（2）标准中对结构的几何尺寸要求使得由几何不连续所产生的峰值应力不致过大；（3）所选材料皆为韧性良好的钢材；（4）设计疲劳求选在制订时就有保守的成分。,综合以上情况，在循环次数不多或应力水平较低的情况下，可以保证结构满足疲劳分析要求，因此，疲劳分析可免除。JB4732中的免除规定沿用了ASME2的免除条件，在指定免除条件时，有如下基本假设条件：（1）结构满足Pm（pL）+PbQ3Sm；（2）几何结构所引起的最大应力集中系数为2.0；（3）在Pm（pL）+PbQ=3Sm点处，应力集中系数可达2.0（4）将所有交变应力强度幅超过材料持久限的循环视为有效循环，计入免除考虑的循环；,（5）由压力循环所引起的最大应力和由热循环所引起的最大应力有时会不同时发生。（6）两点间的温差所引起的应力值不超过2ET。上述的基本假设条件，综合起来偏保守，因此，各国压力容器设计规范中，除ASME3超高压容器（草案）外，都允许疲劳分析免除，但其免除条件不尽相同，见下表1。考虑到ASME2有成熟使用经验，并为大多数国家承认，为了与国际标准接轨，我们采用ASME2规定的免除条件，其中不仅对整体结构和非整体结构分别规定了载荷循环和应力水平两套判断条件，同时明确规定可以采用经验对比方法免除疲劳分析。,表1 各国规范的疲劳分析免除规定对比,2.疲劳分析免除条款（1）当所设计的容器与已有成功使用经验的容器有可类比的形状与载荷，根据经验不需作疲劳分析时，可免除疲劳分析。但需将可类比容器和新设计容器在用材、结构参数、载荷条件等对比情况写入应力分析报告，同时应避免采用下述结构型式：a.非整体结构，如补强圈补强或角焊缝连接件；b.管螺纹连接接头，特别是管径超过70mm者；c.螺柱连接件；不能完全熔透的焊缝；d.相邻部件之间有显著的厚度变化。,（2）对于常温抗拉强度b550MPa的钢材，按下述条件判断是否可免除疲劳分析。该免除条件以交变载荷的循环次数作为判据，是在基本假设的前提下，以b552MPa的碳钢或低合金钢的疲劳设计曲线为基础制订出来的。由于只涉及载荷循环次数，故此容易判断，容易使用。a.包括启动与停车在内的全范围压力循环的预计次数N1；设计疲劳曲线是根据包括峰值应力在内的总交变应力强度幅作出的。循环次数少时，可不考虑峰值应力影响。由结构的安全条P+Q3Sm来保证结构的抗疲劳载荷性能。在满应力设计时，Sa3Sm的点一般为判断是否应考虑峰值应力进行疲劳分析的循环次数。,b.压力波动范围超过设计压力20%的预计循环次数N2；由基本假设条件（4），交变应力强度幅超过材料持久限1者，应视为有效循环。若仅考虑压力波动，则此情况下，在应力集中系数为Kt处的交变应力强度幅可用式（114）表示：(1-14)式中：F压力波动范围与设计压力的比值，；Kt应力集中系数；Sm材料的设计应力强度。在进行疲劳分析设计时应满足SaltSa，故有,（115）,根据式（115），若取设计波没应力强度为Sm138MPa。当按基本假设条件，取最大应力集中系数Kt6时，F20则需要计入免除的循环次数。c.包括接管在内的任相邻两点间金属温差波动的有效次数N3。根据假设条件，温度应力T=2ET,应力集中系数为Kt3，则最大温度应力所引起的交变应力强度幅用式（116）表示：(1-16)取100碳钢的弹性模量为E=2.03105MPa，平均线膨胀系数1.076106mm/(mm),则有：Salt6.6T，具有SaltSa，得 由此可得有效金属温差波动换算表见表2。,（117）,标准中对相邻两点得定义如下：对于表面温差：回转壳得经线方向；对于平板L=3.5a：在此，L为相邻点之间的最小距离，mm；R为垂直于表面从壳体中面量到回转轴的半径，mm；为所考虑点处部件的厚度，mm；a为板内加热面积或热点的半径，mm。如果R之值是变化的，则用两点的平均值。对于沿厚度方向的温差：相邻两点定义为任何表面法线方向上的任意两点。,d.由热膨胀系数不同的材料组成的部件（包括焊缝），当 时，的温度波动循环次数N4：不同材料因热膨胀系数不同引起温差应力由式（117）确定 T=2E(12)T(117)由温度波动所引起的交变应力强度Salt由下式确定 其中：E材料的弹性模量，MPa；1，2材料的热膨胀系数；T温度的最大波动范围。当 时，Salt约为70MPa，大于材料的持久限，故作为有效循环予于计入。,免除条件规定N1+N2+N3+N41000时，可以免除疲劳分析。值得说明的是，由于各国采用安全系数不同，根据上述假设导出的临界循环数是不同的，ASME为1000；JB4732为730。但由于基本假设近似，综合而论偏于保守，故在JB4732中，也采用1000为临界判值。（3）对更一般情况，可用下述条件判断是否免除疲劳分析。a.全副度压力循环的预期循环次数，不超过对应于材料的设计疲劳曲线Sa3Sm所求取的允许循环次数。b.正常工作时预计压力波动范围不超过，其中P为设计压力；Sa为SaN曲线图中预计压力波动循环次数对应的交变应力强度幅；Sm为设计温度下材料的设计应力强度。,c.在正常工作及起动、停车过程中，任何相邻两点间温差不超过，Sa为SaN曲线中，与预计起动、停止温差循环次数相对应的交变应力强度幅值。d.在正常工作过程中，任相邻两点温差波动范围不超过。Sa为SaN曲线中，与超过显著温差波动范围的预计温差循环总次数相对应的Sa值。e.对于用弹性模量和热膨胀系数不同材料组成的部件，容器正常工作过程中，温度波动范围不超过。若可免除疲劳分析则必有SaltSa，得到,f.压力、温度载荷意外的其它机械载荷的波动范围规定为，由此而引起的应力波动范围不超过Sa。（2）、（3）条件所针对的是整体结构，对于非整体结构，JB4732同样给出了疲劳分析免除条件，只是要求更为严格。,