引言

超高壓閥門(mén)螺栓廣泛采用各種高強(qiáng)度鋼，隨著材料屈強(qiáng)比的提高，靜強(qiáng)度承載能力也得到提升，但其塑性?xún)?chǔ)備、應(yīng)力集中的敏感性、抗疲勞耐力都有所降低[1]，在螺栓制造過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋和其他缺陷，從而增加疲勞破壞的敏感性[2]。目前超高壓閥門(mén)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)主要參考超高壓容器的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，而ASME?BPVC.VIII.3已將疲勞分析作為超高壓容器設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性要求。同時(shí)，螺栓疲勞斷裂是超高壓閥門(mén)的一種典型失效形式[3]，螺栓疲勞斷裂會(huì)直接造成法蘭密封失效、超高壓介質(zhì)外漏，巨大的能量甚至?xí)?dǎo)致零部件高速飛出，其破壞的程度較一般閥門(mén)嚴(yán)重的多。因此對(duì)超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命分析方法進(jìn)行研究十分必要。對(duì)于閥門(mén)螺栓疲勞壽命分析，普通中低壓閥門(mén)常采用基于裂紋萌生失效準(zhǔn)則的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線法，該方法是基于實(shí)際螺栓疲勞壽命與光滑試樣在相同循環(huán)應(yīng)力特征下的疲勞壽命相同的假設(shè)[4]，其疲勞曲線是基于光滑試樣的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的，并未考慮實(shí)際螺栓可能存在的裂紋其缺口根部附近應(yīng)力梯度的影響[5]。針對(duì)超高壓閥門(mén)螺栓疲勞問(wèn)題，施俊俠等[6-7]采用斷宏觀分析、微觀形貌分析、能譜分析、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)及力學(xué)性能測(cè)試等方法。陳孫藝[8]采用有限元分析軟件開(kāi)展應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，分別研究超高壓脈沖閥螺栓斷裂原因，但并未涉及超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命定量分析。為此，本文以某超高壓放空閥螺栓疲勞壽命分析為實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了基于傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線的超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命分析方法，并著重介紹了一種基于斷裂力學(xué)的超高壓螺栓疲勞壽命分析方法，對(duì)比分析以揭示一種可以更好地指導(dǎo)超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命分析的工程方法。

1、超高壓放空閥螺栓連接處結(jié)構(gòu)

以某超高壓放空閥為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)壓力為280MPa，操作壓力≤260MPa，設(shè)計(jì)溫度?-20/100?℃，操作溫度為常溫，設(shè)計(jì)全壽命疲勞循環(huán)次數(shù)為12000次（0~260?MPa），用于某超高壓裝置放空出口啟閉頻繁操作，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中超高壓氣體介質(zhì)截?cái)嗯c放空，為系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其失效會(huì)造成系統(tǒng)無(wú)法保壓或泄壓，進(jìn)而可能導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。該超高壓閥門(mén)也可用于超高壓聚乙烯裝置，用以控制經(jīng)二次壓縮機(jī)壓縮后的超高壓乙烯氣體的通斷。整機(jī)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，法蘭螺栓連接處局部放大圖如圖2所示。閥門(mén)運(yùn)行期間螺栓承受頻繁啟閉操作產(chǎn)生的交變載荷，即應(yīng)力循環(huán)形式如圖3所示。

2、基于傳統(tǒng)S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線的超高壓放空閥螺栓疲勞壽命分析方法

螺栓的疲勞失效一般分為兩個(gè)階段，即疲勞裂紋萌生階段（包含裂紋成核和小裂紋擴(kuò)展）和宏觀裂紋擴(kuò)展階段。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定階段就會(huì)發(fā)生快速斷裂。相對(duì)應(yīng)的疲勞設(shè)計(jì)方法即為傳統(tǒng)的基于裂紋萌生失效準(zhǔn)則S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線法，以及基于裂紋擴(kuò)展失效準(zhǔn)則的斷裂力學(xué)評(píng)定?方法。傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線方法是基于在相同循環(huán)應(yīng)力特征下光滑無(wú)原始缺陷試樣與實(shí)際螺栓疲勞壽命相同的假設(shè)。針對(duì)超高壓放空閥螺栓，采用該方法進(jìn)行螺栓疲勞壽命分析的一般步驟為：

（1）確定循環(huán)載荷工況；

（2）通過(guò)彈性計(jì)算螺栓在整個(gè)周期任意時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)；

（3）依次確定主應(yīng)力差、交變應(yīng)力幅、主應(yīng)力和、主應(yīng)力和的均值、平均應(yīng)力和當(dāng)量交變應(yīng)力強(qiáng)度幅；（4）由計(jì)算求得的當(dāng)量交變應(yīng)力幅查詢(xún)S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線，即可得到允許的循環(huán)次數(shù)N。材料的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線是通過(guò)試驗(yàn)得到。采用等截面試樣，針對(duì)本例35CrNi3MoVR螺栓材料，考慮高強(qiáng)度鋼對(duì)表面光潔度的敏感性較高，對(duì)試樣的表面光潔度提出了更高的要求，試樣尺寸如圖4所示。試驗(yàn)程序參考GB/T?15248—2008《金屬材料?軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》和GB/T?26077—2021《金屬材料?疲勞試驗(yàn)?軸向應(yīng)變控制方法》，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞測(cè)試。

試驗(yàn)加載方式采用引伸計(jì)的軸向應(yīng)變控制，加載波形為三角波，所有試驗(yàn)均保持恒定的應(yīng)變速率，以加載時(shí)應(yīng)力降低75%作為失效判據(jù)（此時(shí)相當(dāng)于形成1?mm裂紋的壽命[9]）。將各組試樣得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到應(yīng)變—疲勞壽命擬合曲線，考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性、實(shí)際工況與試樣的差異等影響，對(duì)獲得的擬合曲線的應(yīng)變幅和壽命分別取安全系數(shù)2和15后的最小值，再乘以彈性模量以獲得虛擬應(yīng)力幅，最終得到S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線。經(jīng)計(jì)算，超高壓放空閥螺栓當(dāng)量交變應(yīng)力強(qiáng)度幅為133.22?MPa，乘以S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線給定的彈性模量（E=195?000?MPa）與具體工況下的35CrNi3MoVR彈性模量（E=206?000?MPa）的比值，即為126.10?MPa，在S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線的縱坐標(biāo)上讀取該值，通過(guò)此點(diǎn)做水平線與疲勞設(shè)計(jì)曲線相交，交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為超高壓螺栓的運(yùn)行循環(huán)次數(shù)N，且N＞100000（GB/T?34019—2017《超高壓容器》只給出了低周疲勞循環(huán)曲線，本例已超過(guò)該疲勞設(shè)計(jì)曲線范圍，因此無(wú)法得到準(zhǔn)確的螺栓疲勞循環(huán)次數(shù)）。

3、基于斷裂力學(xué)的超高壓放空閥螺栓疲勞壽命分析方法

該方法以ASME?BPVC.?VIII.3斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)疲勞壽命的方法、API?579-1/ASME?FFS-1中的失效評(píng)定圖法（FAD），以及GB/T?34019—2017斷裂力學(xué)評(píng)定中的合格判定公式為主要依據(jù)。機(jī)理為假設(shè)高強(qiáng)螺栓內(nèi)部存在無(wú)損檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)出的原始微小裂紋缺陷，在循環(huán)交變載荷作用下，裂紋將發(fā)生擴(kuò)展，裂紋大小達(dá)到臨界裂紋尺寸之前處于緩慢拓展?fàn)顟B(tài)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度，其尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，則裂紋達(dá)到臨界裂紋尺寸，然后裂紋拓展速率急劇增加并最終引發(fā)螺栓斷裂[10]。具體分析步驟為：（1）運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)循環(huán)載荷作用下的超高壓閥門(mén)螺栓開(kāi)展應(yīng)力分析，進(jìn)而確定螺栓裂紋的位置和種類(lèi)；（2）運(yùn)用API?579-1/ASME?FFS-1中失效評(píng)定圖法（FAD），借助數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行迭代計(jì)算，確定螺栓裂紋的臨界裂紋尺寸；（3）根據(jù)ASME?BPVC.VIII.3?提供的高強(qiáng)度鋼材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式，計(jì)算螺栓裂紋的預(yù)計(jì)循環(huán)壽命；（4）根據(jù)GB/T?34019—2017斷裂力學(xué)分析中的合格判定公式進(jìn)行評(píng)定。

3.1螺栓裂紋位置和類(lèi)型

超高壓放空閥螺栓材料為35CrNi3MoVR高強(qiáng)度鋼，材料性能指標(biāo)見(jiàn)表1，疲勞壽命分析時(shí)取其下限值。

利用有限元分析軟件建立超高壓放空閥有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)與載荷的對(duì)稱(chēng)性，可取1/2模型。由于整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難度大、耗時(shí)長(zhǎng)，網(wǎng)格生成時(shí)采用非主要部位的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與應(yīng)力集中區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法。首先將各部件的網(wǎng)格單獨(dú)生成，再將所有部件組裝得到裝配體模型。由各部件網(wǎng)格模型組成的裝配體網(wǎng)格模型如圖5所示，共包含1332732個(gè)單元，網(wǎng)格單元階次為二階，類(lèi)型為Solid?187和Solid?186單元，共3376594個(gè)節(jié)點(diǎn)。

裝配體邊界條件加載設(shè)置如圖6所示。其中，圖6（a）所示①~③表面施加對(duì)稱(chēng)約束邊界條件，其位移值約束為0；圖6（b）所示①~③表面施加均勻壓力載荷，在校核螺栓脆性斷裂時(shí)，其內(nèi)壓載荷設(shè)置為260?MPa；圖6（c）所示①~③表面施加固定位移約束。此外，每個(gè)螺栓施加大小為?98?kN的預(yù)緊載荷。螺栓與螺母、螺栓與閥體之間考慮為緊密無(wú)相對(duì)移動(dòng)的接觸，選用“Bonded”接觸對(duì)模擬；其余在裝配過(guò)程中的接觸關(guān)系均考慮為鋼與鋼之間的摩擦接觸，選用“Frictional”接觸對(duì)模擬，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。

螺栓疲勞校核主要?dú)w結(jié)為針對(duì)危險(xiǎn)部位的校核[11]。根據(jù)ASME?BPVC.VIII.3基于裂紋擴(kuò)展失效的斷裂力學(xué)分析方法，在零部件應(yīng)力集中和應(yīng)力梯度最大的位置，應(yīng)假設(shè)存在初始裂紋。采用有限元法進(jìn)行螺栓的彈塑性分析，螺栓法向應(yīng)力分布如圖7所示。

由圖可知，螺栓應(yīng)力集中和應(yīng)力梯度最大處分布于螺栓徑-周向平面，路徑為螺栓徑向。由API?579-1/ASME?FFS-1中關(guān)于螺栓裂紋（全稱(chēng)Bolt?Surface?Crack，Straight?Front?Shape）類(lèi)型的描述可知，該種形式的螺栓裂紋為徑向直線型的表面裂紋，具體的形狀參數(shù)見(jiàn)圖8。

3.2螺栓裂紋臨界裂紋尺寸

按API?579-1/ASME?FFS-1規(guī)定，承受交變應(yīng)力的螺栓裂紋，其臨界裂紋尺寸可用Level?3?Assessment中的Method?A?Assessment計(jì)算。根據(jù)螺栓所受具體應(yīng)力分類(lèi)情況，螺栓裂紋的臨界裂紋尺寸可按梳理簡(jiǎn)化后的步驟進(jìn)行確定：（1）計(jì)算螺栓裂紋參考應(yīng)力σref；（2）計(jì)算螺栓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子KI；（3）計(jì)算出載荷比Lrp=σref/σys與韌性比Kr=KI/Kmat，其中，σys為螺栓材料設(shè)計(jì)溫度下的屈服強(qiáng)度，Kmat為螺栓材料設(shè)計(jì)溫度下的斷裂韌性；（4）根據(jù)圖9臨界裂紋判定曲線即控制方程式（1）判定是否達(dá)到臨界裂紋尺寸。螺栓臨界裂紋判定曲線如圖9所示。

螺栓裂紋參考應(yīng)力計(jì)算方法按API?579-?1/ASME?FFS-1?附錄9C中RBSC方法，詳見(jiàn)公式?（2）~（6）。

式中，σ_ref為螺栓裂紋參考應(yīng)力；P_m為一次薄膜應(yīng)力分量；β為參考應(yīng)力系數(shù)；P_bg為一次凈截面彎曲應(yīng)力；ω為參考應(yīng)力系數(shù)。

式中，F(xiàn)為凈截面軸向力；Rth為螺栓裂紋所在截面根部半徑。

式中，M為凈截面彎矩。

式中，a為螺栓裂紋深度。

螺栓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法按API?579-1/ASME?FFS-1附錄9B中?KBSC方法，詳見(jiàn)公式（7）~（12）。

式中，KI為螺栓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子；Mm為用于計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的薄膜應(yīng)力修正系數(shù)；σm為薄膜應(yīng)力分量；Mb為貫穿彎曲應(yīng)力分量；σb為用于計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的彎曲應(yīng)力修正系數(shù)。

式中，ξ為用于計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的系數(shù)。

按GB/T?34019—2017規(guī)定對(duì)受壓元件螺栓開(kāi)展超聲和表面無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合考慮零件結(jié)構(gòu)尺寸以及采用的無(wú)損檢測(cè)方法精度，假設(shè)存在無(wú)法檢出的初始裂紋尺寸a0=0.1mm。根據(jù)計(jì)算臨界裂紋尺寸所需的螺栓裂紋所在平面的法向應(yīng)力分布，結(jié)合圖5和?式（1）~（12），運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件提取并進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)a=6.7250mm時(shí)，L_r=0.958627，Kr=0.629674，在可接受區(qū)域內(nèi)；當(dāng)a=6.7255?mm時(shí)，L_r=0.958671，K_r=0.629716，在不可接受區(qū)域內(nèi)，因此臨界裂紋尺寸a_c=6.725?mm。

3.3螺栓裂紋擴(kuò)展速率

疲勞分析的目的在于求出某一循環(huán)載荷作用下，允許的循環(huán)次數(shù)。根據(jù)ASME?BPVC.VIII.3高強(qiáng)度鋼材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率公式為：

式中，d_a/d_N為裂紋擴(kuò)展速率；C為裂紋擴(kuò)展速率系數(shù)；R_K為應(yīng)力強(qiáng)度因子比；Δ_K為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍；m為裂紋擴(kuò)展速率系數(shù)。

式中，K^*_Imax為除殘余應(yīng)力外所有載荷作用下，裂紋中的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子；K^*_Imin為除殘余應(yīng)力外所有載荷作用下，裂紋中的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子。

式中，K^*_Ires為裂紋殘余應(yīng)力當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度因子。

超高壓放空閥螺栓無(wú)殘余應(yīng)力作用，即K^*_Ires=0，另外K^*_Imin<<K^*_Imax，根據(jù)式（16）可得R_K≈0。取RK=0，根據(jù)式（14）可得f（RK）=1。對(duì)于高強(qiáng)度鋼材料，ASME?BPVC.VIII.3中規(guī)定當(dāng)f（RK）=1時(shí)，C=3.64×10-12，m=3.26，代入式（13），可得超高放空閥螺栓裂紋擴(kuò)展速率為：

3.4螺栓疲勞斷裂失效評(píng)定

螺栓裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算按照式（7），螺栓裂紋拓展速率按照式（17）。螺栓裂紋的初始深度設(shè)置為a0=0.1?mm，分別取裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)Δa為0.005，0.002，0.001?mm，運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件，分別計(jì)算螺栓裂紋拓展到臨界裂紋尺寸ac時(shí)所需的循環(huán)次數(shù)Np，螺栓裂紋拓展至ac/4時(shí)所需循環(huán)次數(shù)Nc，并采用減少裂紋拓展步長(zhǎng)Δa的方法進(jìn)行反復(fù)試算，直至Np和Nc值無(wú)明顯變化。同時(shí)，開(kāi)展網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，螺栓部分分別采用2.0，1.5，1.0?mm網(wǎng)格計(jì)算，分析其網(wǎng)格收斂性，通過(guò)后處理程序，分別對(duì)上述網(wǎng)格進(jìn)行處理，輸出結(jié)果見(jiàn)表2。隨著有限元網(wǎng)格精細(xì)程度增加，整體結(jié)構(gòu)自由度增加，結(jié)構(gòu)變軟，應(yīng)力集中現(xiàn)象略微減弱，臨界裂紋尺寸及疲勞極限均略有增加，但是相對(duì)變化量小于2%，已收斂。在本次有限元分析采用的1?mm網(wǎng)格尺寸下，可獲得足夠精確的數(shù)據(jù)。

將循環(huán)次數(shù)計(jì)算值與設(shè)計(jì)全壽命疲勞循環(huán)次數(shù)n=12?000，按GB/T?34019—2017中疲勞失效評(píng)定式（18）進(jìn)行判定，若滿(mǎn)足，則螺栓疲勞斷裂失效評(píng)定合格；否則，應(yīng)通過(guò)改變操作條件、閥門(mén)（含螺栓）結(jié)構(gòu)尺寸等措施，重復(fù)（3.1~3.4）步驟，直至滿(mǎn)足。

螺栓疲勞評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，按不同擴(kuò)展步長(zhǎng)計(jì)算的總循環(huán)次數(shù)非常接近，保守取Δa=0.001?mm時(shí)作為計(jì)算結(jié)果。因此，超高壓放空閥螺栓疲勞斷裂失效評(píng)定結(jié)果合格。

通過(guò)對(duì)比兩種超高壓放空閥門(mén)螺栓疲勞壽命分析方法的具體過(guò)程可知，其有以下區(qū)別：

（1）傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線方法是基于裂紋萌生失效準(zhǔn)則，而基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命分析方法是基于裂紋擴(kuò)展失效準(zhǔn)則的；

（2）傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線方法是以假設(shè)超高壓閥門(mén)螺栓本身無(wú)原始缺陷為前提的，而基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命分析方法是基于假設(shè)超高壓閥門(mén)螺栓本身存在微小的原始缺陷為前提的；

（3）傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線是基于光滑試樣的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的，并未考慮實(shí)際螺栓中可能存在的裂紋其缺口根部附近應(yīng)力梯度影響；

（4）傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線法以相同應(yīng)力特征下高強(qiáng)鋼疲勞試樣的裂紋萌生至1?mm的循環(huán)次數(shù)為螺栓疲勞壽命，而基于斷裂力學(xué)的疲勞壽命分析方法以實(shí)際高強(qiáng)鋼螺栓的裂紋擴(kuò)展至6.725?mm時(shí)總循環(huán)數(shù)的一半為螺栓疲勞壽命。同時(shí)，相比普通中低壓閥門(mén)螺栓，超高壓閥門(mén)螺栓有以下特點(diǎn)：

（1）超高壓閥門(mén)螺栓通常采用高強(qiáng)度鋼材料，由于材料塑性?xún)?chǔ)備的降低，螺栓在制造過(guò)程中容易存在一些較小及不同形狀的缺口，如氣孔、夾渣及裂紋等；

（2）超高壓閥門(mén)螺栓工作應(yīng)力水平更高，缺口局部地區(qū)的應(yīng)力梯度也更高，對(duì)疲勞壽命分析結(jié)果準(zhǔn)確性的影響更加明顯；

（3）對(duì)出現(xiàn)裂紋的在役超高壓閥門(mén)螺栓剩余壽命的預(yù)測(cè)的關(guān)鍵在于失效判定時(shí)的臨界裂紋尺寸，傳統(tǒng)的S-N曲線方法過(guò)于保守，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致裝置提前停車(chē)檢修等不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。通過(guò)以上分析可知，針對(duì)超高壓閥門(mén)高強(qiáng)螺栓具體特點(diǎn)，采用基于裂紋擴(kuò)展失效準(zhǔn)則的斷裂力學(xué)評(píng)定方法更加精確。提高超高壓閥門(mén)螺栓的疲勞壽命的主要措施有：

（1）提高超高壓閥門(mén)螺栓鍛件的純凈度，以降低雜質(zhì)元素含量，控制夾雜物含量和低倍組織缺陷，并提高材料的斷裂韌性，應(yīng)采用如電渣重熔、真空感應(yīng)和真空自耗等精煉工藝[12-17]；

（2）優(yōu)化超高壓閥門(mén)螺栓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善螺栓應(yīng)力分布，降低平均應(yīng)力和應(yīng)力幅，減少應(yīng)力集中，并提高應(yīng)力集中部位的表面光潔度；

（3）應(yīng)優(yōu)化無(wú)損檢測(cè)方法，提高無(wú)損檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)率，嚴(yán)格控制超高壓閥門(mén)螺栓原始缺陷及缺陷尺寸。

4、結(jié)論

（1）傳統(tǒng)的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線法，因其是建立在光滑無(wú)原始缺陷的試樣基礎(chǔ)上，考慮疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)后估算的疲勞壽命，方法更為保守。同時(shí)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中提供的典型高強(qiáng)鋼疲勞壽命曲線為低周疲勞壽命曲線（N≤100?000），難以滿(mǎn)足諸如高周疲勞壽命設(shè)計(jì)或無(wú)限疲勞壽命設(shè)計(jì)的超高壓閥門(mén)螺栓工程設(shè)計(jì)需求。

（2）對(duì)于采用高強(qiáng)鋼鍛件的超高壓閥門(mén)螺栓，考慮螺栓在較大的預(yù)緊力和工作壓力作用下，危險(xiǎn)部位所受平均應(yīng)力以及應(yīng)力梯度較大，同時(shí)高強(qiáng)鋼螺栓在制造過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。相較于傳統(tǒng)的基于裂紋萌生失效準(zhǔn)則的S-N疲勞設(shè)計(jì)曲線法，采用假設(shè)存在原始裂紋缺陷的、基于裂紋擴(kuò)展失效準(zhǔn)則的斷裂力學(xué)方法預(yù)測(cè)超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命更加精確。

（3）提升超高壓閥門(mén)螺栓疲勞壽命的方法為提高鍛件的純凈度、降低夾雜物含量和控制低倍組織缺陷；同時(shí)改善螺栓應(yīng)力分布，提高加工質(zhì)量，以及提高無(wú)損檢測(cè)靈敏度，嚴(yán)格控制原始缺陷及其尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 邵國(guó)華 . 超高壓容器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2002. ? 

SHAO?G?H.Ultra-high?pressure?vessel[M].Beijing： Chemical?Industry?Press，2002. 

[2]? 王衛(wèi) . 高強(qiáng)高韌均質(zhì)化 Cr-Ni-Mo-V 系鋼的研究 [D].?秦皇島：燕山大學(xué)，2016. ? 

WANG?W.Study?of?high?strength?and?high?toughness? homogenizing? Cr-Ni-Mo-V? series? steels[D]. Qinhuangdao：Yanshan?University，2016. 

[3]? 耿圣陶，王渭，明友，等 . 超高壓閥門(mén)的研究進(jìn)展

[J]. 流體機(jī)械，2023，51（48）：33?-?42. ? GENG?S?T，WANG?W，MING?Y，et?al.Progress?in?the? research?of?the?ultra-high?pressure?valves[J].Fluid? Machinery，2023，51（48）：33?-?42. [4]? 邱海輝 . 超高壓壓縮機(jī)氣缸及進(jìn)出口螺栓的疲勞壽 命分析[J]. 石油化工安全技術(shù)，2005，21（6）：27?-?31. 

QIU?H?H.Fatigue?life? analysis? of?the? cylinder? and? the?connecting?bolts?at?inlet?and?outlet?of?superhigh?pressure?compressors[J].Petrochemical?Safety? Technology，2005，21（6）：27?-?31. 

[5]? 陶京 . 基于 S-N 曲線和斷裂力學(xué)的自升式平臺(tái)樁腿 疲勞壽命研究[D]. 大慶：東北石油大學(xué)，2021. ? 

TAO?J.Study?on?fatigue?life?of?jack-up?platform?pile? leg?based?on?S-N?curve?and?fracture?mechanics[D].? Daqing：Northeast?Petroleum?University，2021. 

[6]? 施俊俠，宮恩祥，魯飛，等 . 高壓聚乙烯裝置 PV210T 脈沖閥螺栓斷裂原因分析[J]. 流體機(jī)械， 2002，30（3）：39?-?41. 

SHI? J?X，GONG?E?X，LU?F，et?al.The?analysis?about? the?reason?of?bolt-breaking?in?the?PV-210T?pulse?valve? used?in?high?pressure?polyethylene?equipment[J].? Fluid?Machinery，2002，30（3）：39?-?41. 

[7]? 呂廣紅，黃崇林，鐘經(jīng)山 . 超高壓脈沖閥螺栓斷裂失 效原因分析[J]. 裝備制造技術(shù)，2014（8）：183?-?185. ? 

LYU?G?H，HUANG?C?L，ZHONG?J?S.Fracture?failure? analysis?of?super?high?pressure?pulse?valve?bolt[J]. Equipment?Manufacturing? Technology，2014（8）：? 183?-?185. 

[8]? 陳孫藝 . 超高壓脈沖閥螺紋連接強(qiáng)度分析[J]. 石 油化工設(shè)備技術(shù)，2011（2）：14?-?18. ? 

CHEN?S?Y.Strength?analysis?of?the?threaded?connection? for?ultrahigh?pressure?pulse?valve[J].Petro-chemical? Equipment?Technology，2011（2）：14?-?18. 

[9]? 李濤 . 基于失效模式的超高壓容器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù) 研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2018. ? LI? T.Research? on? some?key?issues?in?the?design? of? ultra-high?pressure?vessels?based?on?failure?modes?[D]. Hangzhou：Zhejiang?University，2018. 

[10]?王崇 . 高壓聚乙烯裝置擠出機(jī)離合器螺栓失效分 析[D].?青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2016. 

WANG?C.Fatigue?analysis?on?clutch?bolt?of?extruder?at? high-pressure?polyethylene?plant[D].Qingdao：China? University?of?Petroleum（East?China），2016. 

[11]? KEDZIORA?S，CAO?T?B.Optimum?autofrettage?pressure? of?hydrogen? valve?using?finite? element? and?fatigue? analysis[J].Engineering，2020，12（1）：1?-?24. 

[12]? 孫燦興，黃增，任旺，等 . 某液壓打樁錘專(zhuān)用組合插 裝閥的建模與仿真[J]. 機(jī)電工程，2022，39（12）： 1678?-?1685. 

SUN? C?X，HUANG? Z，REN?W，et? al.Modeling? and? simulation? of? special? combined? cartridge? valve?for? hydraulic?pile?hammer[J].Journal?of?Mechanical?&? Electrical?Engineering，2022，39（12）：1678?-?1685. 

[13]? 王珂，孫光毅，安博，等 . 人字形角對(duì)導(dǎo)孔型板殼式 換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱特性的影響[J]. 壓力 容器，2023，40（3）：7?-?15. 

WANG?K，SUN?G?Y，AN?B，et?al.Effect?of?herringbone? angle?on?flow?and?heat?transfer?characteristics?of?the? fluid?on?shell?side?of?guide?groove?type?shell-and-plate? heat? exchanger[J].Pressure?Vessel? Technology， 2023，40（3）：7?-?15. 

[14]? 牛建新，戴峰澤，裴智鵬，等 . 激光沖擊強(qiáng)化 316 不 銹鋼的滾動(dòng)接觸疲勞性能[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2022，40（1）：97?-?101. ? 

NIU? J?X，DAI? F? Z，PEI? Z? P，et? al.Rolling? contact? fatigue?performance?of?316? stainless? steel?treated?by? laser? shock?processing[J].Journal?of?Drainage?and? Irrigation? Machinery? Engineering，2022，40（1）：? 97?-?101. 

[15]? 呂家皓，吳欣，何磊 . 基于多目標(biāo)遺傳算法和反向 傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 機(jī)電工 程，2023，40（12）：1880?-?1888. ?

 LYU?J?H，WU?X，HE?L.Optimization?of?control?valve? flow?channel?structure?based?on?MOGA?and?BPNN[J]. Journal?of?Mechanical?&?Electrical?Engineering，2023， 40（12）：1880?-?1888. 

[16]? 張海洋，梁全，王志科，等 . 基于遞推最小二乘法的 閥控缸液壓系統(tǒng)控制策略[J]. 機(jī)電工程，2023，? 40（11）：1743?-?1751. 

ZHANG?H?Y，LIANG?Q，WANG? Z?K，et? al.Control? strategy?of?valve?controlled?cylinder?hydraulic?system? based?on?recursive?least?square?method[J].Journal?of? Mechanical?&?Electrical?Engineering，2023，40（11）： 1743?-?1751. 

[17]? 魯飛，陳正文，韋志超，等 . 超高壓泵承壓件優(yōu)化設(shè) 計(jì)方法[J]. 流體機(jī)械，2022，50（9）：20?-?25. ? 

LU?F，CHEN?Z?W，WEI?Z?C，et?al.Optimization?design? of?pressure?parts?of?ultra-high?pressure?pump[J].Fluid? Machinery，2022，50（9）：20?-?25.??????

作者簡(jiǎn)介：耿圣陶（1988），男，工程師，主要從事特種閥門(mén) 產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)工作，E?-?mail：[email protected]。

通信作者：王渭（1968），男，教授級(jí)高工，主要從事特種閥 門(mén)產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)工作，通信地址：230031? 安徽省合肥市長(zhǎng)江西 路 888 號(hào)合肥通用機(jī)械研究院有限公司，E?-?mail：ww_xuy@163. com。