含局部减薄缺陷圆柱壳的评定方法.pdf

'含局部减薄缺陷圆柱壳的评定方法李思源，唐毅，李祚成(1．中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉430223；2．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州730070)摘要：在含局部减薄缺陷圆柱壳承压构件的完整性评定中，BS7910，API579和Janelle评定方法备受关注。采用100多个纵向含矩形面积缺陷承压管爆破失效的试验剩余强度系数RSF，检验和评价了三种评定方法中剩余强度系数RSF计算式的精度，当Ot=a／t1>0．7时，三种方法都可能不安全；对BS7910单个矩形缺陷计算式s的鼓胀系数作了重要修正，建立了改进的1级评定方法的计算式RSFL；并提出了类似于API5792级评定的评定方法。关键词：圆柱壳；局部减薄缺陷；剩余强度系数；计算公式；评定方法中图分类号：T一65；TH702文献标识码：B文章编号：1001—4837(2011)08—0049—06doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2011．08．010EvaluationMethodforCylindricalShellwithLocalThinAreaLISi—yuan，TANGYi，LIZuo—cheng(1．ChinaNuclearPowerOperationTechnologyCo．，Ltd．，Wuhan430223，China；2．LanpecTechnolo-giesLimited，Lanzhou730070，China)Abstract：Regardingtheintegrityevaluationmethodsf0rcylindricalshellwithLocalThinArea(LTA)，BS7910，API579，andJanellemethodaretheleadingones．Usingtheburstfailureexperimentsremai．ningstrengthfactor(RSF6s)ofmorethan100pressurepipeswithlongitudinalrectangularareaweremeasured，theaccuracyoftheRSFformulasinthesethreemethodsisexaminedandevaluated．WhenO／=a／t>~0．7，allthethreemethodsarepossiblyunsafe．ThebulgingfactorintheRSFBformulaforsinglerectangulardefectsinBS7910isrevised，animprovedRSF￡formulaisestablishedforLevel1evalua-tion．AnevaluationmethodsimilartoLevel2inAPI579isproposed．Keywords：cylindricalshell；localthinarea(LTA)；remainingstrengthfactor；formula；evaluationmethod其中主要有美国的ASMEB31G【1]、API579_2]、英0引言国的BS7910等。近年来，Janelle等在文献[4]中对上述几种标准的评定方法进行研究分析，对在压力容器与管道(以下简称承压构件)中，纵向缺陷评定方法采用失效压力比给出了评价，局部减薄缺陷是一种常见的体积型缺陷，工业发并且提出了一种新的评定方法(以下简称Janelle达国家对含局部减薄缺陷承压构件的完整性评定方法)。从评价结果看出：BS7910，API579和开展了大量的试验研究，建立了相应的评定方法。Janelle方法的评定精度和可靠性较高，值得关注49 含局部减薄缺陷圆柱壳的评定方法和研究。余强度系数RSF可表示为：文中将含局部减薄缺陷承压构件的失效压力RSF6=p6／p加(4)p，分为无缺陷构件的失效压力p和剩余强度系数又计及式(3)得到：各种失效压力定义下的RSF两部分进行分析研究，分别采用BS7910，剩余强度系数RSF都有：API579和Janelle方法1级评定的剩余强度系数RSFRSF6=p6／p加(5)RSF计算式，计算纵向含矩形面积缺陷承压管的为了检验各种RSF计算式的精确度，可应用RSF值，并用100多个承压管爆破失效的试验剩式(5)将各种RSF计算式的计算值和RSF=p／余强度系数RSF检验三种计算式的精度，对三种P加进行比较，从而确定各种RSF计算式的计算精评定方法给出了评价。以BS7910单个矩形凹坑度。的剩余强度系数计算式RSF为基础，对其鼓胀系1．2三种评定方法RSF计算式数作了重要修正，建立了改进的1级评定方法的设圆柱壳的内直径为D，壁厚为t，中半径R计算式RSF。又以RSF，计算式的鼓胀系数为=(Di+t)／2，其壳壁上沿轴向存在长2。、深口基础，提出了类似于API5792级评定方法。100的凹槽(见图1)。又设：多个试验数据证明：改进的1级评定方法的计算Ol=a／t．3／=xo／(6)式RSF，具有很高的计算精度。1含局部减薄缺陷承压构件的剩余强度系数)<11．1剩余强度系数RSF2x。含局部减薄缺陷承压构件的失效为塑性失效，其失效压力p，可以是构件屈服极限载荷P、构件屈服变形终点的最大载荷——爆破压力P，以图1含矩形凹槽圆柱壳沿轴向壁厚断面示意及所规定的两者之间的载荷，即p，∈[P，P]。含(1)BS7910方法局部减薄缺陷承压构件的失效压力p，一般采用式用RSF表示BS7910中的剩余强度系数(1)计算：RSF，其RSF用式(7)计算：p，=PjoRSF(1)觋=1-Ol(7)式中p——无缺陷承压构件的失效压力尺．s卜剩余强度系数。其中：在承压构件的几何尺寸、材料性能和失效载荷定义都相同的条件下：=√1+0．3l[2。]RSF=p／pm(2)=~／1+0．62"／(8)从式(2)看出：剩余强度系数RSF反映了局(2)API579方法1级评定部减薄缺陷对构件强度削弱的程度。RSF只与局在API579中，局部减薄1级评定的剩余强部减薄缺陷的形状尺寸有关，而与构件失效压力度系数RSF用式(9)计算：的定义无关。RSF的计算式一般都用试验值RSFF_F(9)：实进行拟合而得到。在这种情况下，设其中：RSFI，RSFⅡ分别为同一构件在I型失效压力和R：(一一FCA)／i(10)Ⅱ型失效压力下的拟合剩余强度系数计算式，则式中￡——器壁的测量厚度RSFl和RSFⅡ可能不同，但两者应该接近，即：ti——器壁要求的最小厚度RSFI-~-RSFⅡ(3)F——检测周期内的腐蚀裕度设P加和p分别为无缺陷圆柱壳构件的爆破当A=1．285(2xoDt)≤20时：压力和含局部减薄缺陷圆柱壳构件的爆破压力，M=1．001—0．0141951+0．29091一则含局部减薄缺陷圆柱壳构件在爆破失效下的剩50 第28卷第8期压力容器第225期0．09642j~。+0．02089J~一0．003054J~+Zl=1／[1+(o1"1006．1)m(16)2．957×10一A一1．8462X10一A+Z2=1／E1+(A／1．8753)]7．1553×10一A一1．5631×10一。A+1．4656×10。Am(11)2RSF计算式的爆破试验验证当Ai>20时，取MA=24．027(12)为了检验式(9)的计算精度，取：文献[5]在研究含缺陷传热管的强度计算FCA=0，t=t—n，t=t(13)代人式(10)得到R=(t一0)／t=1一Ol。再时，对一批含缺陷传热管做了爆破试验，得到了含将它代人式(9)，并用表示RSF，得：缺陷传热管试件的爆破压力实测值P和无缺陷RSFA=1-OL(14)试件的爆破压力P加，并给出了含缺陷试件的剩余强度系数RSF=Pb／p加；中核武汉核电运行技术(3)Janelle方法股份有限公司在研究一种传热管的安全性能时，在文献[4]中，Janelle等对局部减薄承压构用这种含缺陷传热管进行爆破试验，又获得了一件的评定提出了一种新的计算方法，它和API579批爆破压力数据。综合文献[5]和这次爆破试一样，也分为两级评定。其1级评定如下：验，其环向整圈含矩形槽传热管试件共11l件，它Janelle方法1级评定的剩余强度系数RSF们的缺陷参数为：0．2≤≤0．8，0．3≤<5。现用R．sF，表示，则JsF，用式(15)计算：将其中56个试件的几何尺寸(外直径)、t和矩R．sFj=1200[一1．0144+1．0152Zl+1．0141×形槽尺寸2xOL=a／t以及相应的爆破压力P和(1一Z1)z2](15)其中：RSF列于表lo表156个爆破试件的实测数据和计算数据D0t2Xop6RSFbRSF6／RSFb／RSFb／RSF~／序号／ram／n1m／mmo／=(a／t)／MPa(RSFb=p6／p∞)RSFnRSFARSF]RSFL119．051．093．90．495462．140．92541．0181．1061．2201．0192l9．051．104．O0．498662．530．91821．0151．1041．2171．0l6319．051．107．940．516855．140．80971．0621．1831．2451．O64419．051．117．940．534254．200．78821．0501．1771．23l1．054519．o51．118．050．618049．29O．71681．0581．2211．2211．069619．051．o98．020．622949．400．73251．O911．2611．2561．099719．0o1．087．90．690742．400．63311．0471．2451．1651．064819．051．097．920．7llO40．660．6o291．0361．2441．1341．062919．051．09l1．90．494549．740．73751．0581．1491．2081．O591019．o51．1l12．00．513548．970．71221．0461．1411．1931．05011221．2l2．70．4940．75701．0701．1651．2251．07012221．212．7O．51020．74341．07l1．1711．2261．07213221．212．70．52650．72671．0691．1731．2211．07014221．212．70．66330．57081．0461．1921．1451．o5915221．2l2．7O．66940．56021．0401．1871．1331．05116221．212．70．6755O．56021．0531．2051．1431．06917221．212．70．4939O．718O1．0141．1051．1621．01518221．212．70．51840．7O421．0251．1231．1721．02619221．212．70．52240．72661．0631．1661．2151．06420221．212．70．6633O．52420．9621．0951．0510．97321221．212．70．67350．55361．0361．1841．1261．O5151 含局部减薄缺陷圆柱壳的评定方法(续表1)22221．2l2．70．68980．50170．9741．1181．O450．99l23161．52．300．3117．00．9750．9901．0121．1130．99024161．52．180．4l15．70．9640．9851．0161．1310．98525161．52．250．5¨2．80．9400．9721．0201．1441．00226161．52．660．6101．7O．8480．906O．99l1．0991．01227161．52．39O．6988．60．7380．8020．8920．9721．01028161．52．37O．863．50．529O．6090．7250．7260．97229161．52．130．5l21．11．0o01．0311．0771．2091．O643O161．52．160．5121．71．0o01．0321．0791．2111．06531161．52．22O．6105．30．8700．9140．9781．0941．02632161．52．190．6106．10．8770．9200．9841．1001．03333161．52．28O．787．90．7260．7860．8730．9511．oo934161．52．18O．788．50．7310．7860．8680．9491．01135161．52．130．866．90．5530．6210．7240．7410．99936161．54．25O．31l7．80．9741．0191．0671．1701．01937l61．54．21O．4l14．30．9451．0121．0841．1961．Ol238l61．54．220．4l16．20．9601．0281．1011．2161．02939l61．54．460．5l13．10．9351．0451．1571．2651．04540l61．54．17O．5108．80．8990．9931．0941．2020．99441161．54．220．6102．10．8440．9731．1241．2011．O4042l61．54．220．6101．00．8350．9691．1121．1881．02943l61．54．220．783．30．6880．8601．O431．0431．02444161．54．250．783．50．69o0．8621．0491．o481．02845161．54．20O．862．80．5190．7390．9750．8411．04746161．56．180．31114．90．9501．0331．0971．1931．03347161．56．130．402109．10．9021．0191．1o91．2o61．01948161．56．120．50998．2O．8l20．9741．0991．1750．97549l61．56．100．60791．50．7560．9801．1531．1830．98550161．56．120．70676．30．6310．9231．1481．0790．9965ll61．56．060．80857．50．4750．8541．1500．8921．O5352161．58．090．853．20．44O0．9341．2140．9321．0o953161．512．40．841．90．3490．9651．1650．9151．02954161．5l3．00．843．80．3621．0271．2300．9731．09355161．520．1O．833．80．2790．9661．0760．9491．0o956161．53O．10．830．70．2540．9981．0611．0761．o26为了检验BS7910，API579和Janelle方法l表2111个爆破试件比值RSF／RSF(i=B，A，．，)的统计数据级评定三种方法中RSF计算式的计算精度，用式(7)，(14)，(15)计算了111个环向整圈含矩形槽评定方法BS7910API579Janelle方法试件的RSF(i=B，A，J)和相应的剩余强度系数0．6O90．7240．726比值的范围比值RSF／RSF(i=B，A，J)。与表1试件相对～1．091～1．261～1．267比值平均值0．99101．09271．126o应的RSF6／RSF也列于表1。111个试件剩余强度系数比值RSF／RSF(i(1)当=a／t~0．5时，BS7910剩余强度系=，A，．，)的统计数据列于表2。数计算式(7)的计算值RSF和试件爆破失效剩从111个试件剩余强度系数比值RSF6／RSF余强度系数RSF符合得好：RSF／RSF的值在(i=B，A，J)的统计分析还得到：0．972～1．09之间。因此当≤0．5时，用BS52 第28卷第8期压力容器总第225期，7910计算式(7)计算RSF的精度很好。计算式(14)；(2)对D。：16mm，t：1．5mm整圈含矩形槽(2)当<1，c~I>0．7时，用BS7910，API579缺陷的传热管，当矩形槽的长度2≤6．59mm和Janelle方法相应计算式(7)，(14)和(15)计算时，则=Xo／~／O．5(D0一t)t≤1。因此，整圈含2x0得出的RSF都可能不安全。=2—6mm缺陷的传热管都有<1。从表1可看出：试件26～28的=0．6，0．7，0．8，2x0=2．373含局部减薄缺陷圆柱壳RSF评定方法的改进～2．66mm，相应的比值RSF6／RSFB在0．906—0．609之间；同样，试件31—35，43—45等也满足3．1改进的1级评定方法OL≥0．6，<1，RSF6／RSF8<1。因此，当Ol>10．6，试验验证结果表明：对图1中含矩形槽缺陷<1时，用BS7910计算式(7)计算RSF一般不的圆柱壳构件，当≤0．5时，BS7910剩余强度安全。系数计算式(7)的精度比API5791级评定高；当(3)当Ol≤0．6，或者>0．6时，API5791级1>0．6时，式(7)的可靠性较差；而当≥0．6，评定剩余强度系数计算式(14)的计算值和且≤1时，式(7)的计算值不可靠。因此，计算试件爆破失效剩余强度系数RSF符合得较好：含局部减薄缺陷≤0．5圆柱壳构件RSF基本上RSFb／RSFA的值在0．978～1．26之间。因此当Ot可以采用计算式(7)，而要对所有≤O．8都具有≤0．6，或者>0．6时，用API579计算式(14)计相近的计算精度和可靠性，就必须将式(7)对Ot算RSF是可靠的，但当0．6<≤2时偏于保守。进行改造。为了使RSF计算式具有式(7)的类似(4)当0．2≤≤O．8，3≤<5时，式(14)的形式，只能在缺陷鼓胀系数％中考虑Ot的影响，即鼓胀系数是参量和Ol的函数。计算值和试件的RSF符合得好：25个试件RSF／RSFA的值在1．024—1．1l4之间。因此，当下面采用表1中的试验数据对鼓胀系数3≤<5时，用API579计算式(14)计算RSF，其进行改造：(1)除0c>10．5，且≤1以外，对式(7)的鼓计算精度和可靠性都很好。胀系数MB引入参量，并取式(17)作为鼓胀系(5)从表1可看出：试件27，28和33—35的数的基本拟合函数：比值RSFb／RSFA在0．892～0．724之间。因此，当≥O．7，≤O．4时，用API579计算式(14)计算=,／1+(0．62+COl)(17)RSF也可能不安全。式中C，凡——待定系数(6)当≤O．7时，Janelle方法剩余强度系数剩余强度系数RSF用式(18)计算：计算式(15)的计算值RIsF，和试件爆破失效的RSF=———=====(18)F^值基本符合：RSFb／RSFJ的值在0．949～1—0c／1+(0．62+COt)y1．267之间，且绝大多数试件都有RSF~／RSFj>1。令：因此当≤O．7时，用Janelle方法计算式(15)计y=[‘)一1]／y一0．62(19)算RSF也是可靠的，但一般都偏于保守。(7)从表1得到：试件28，35，45和51的=则由式(18)得到：0．8，且≤1，而它们的RSF6／RSFI值在0．726—Yc对上式两边取对数得到：0．892之间。因此，当等于或接近0．8，≤1时，用Janelle方法计算式(15)计算RSF也可能lgy：lgc+nlgc~(20)利用表1中试件的参数和爆破失效剩余强度不安全。系数实测值RSF，由式(19)计算Y值，应用最小综合上述111个试件的分析结果和表2中的二乘法由式(20)计算出c和／7,，圆整后取c=1，n统计结果得到：=8，代人式(17)，得到>1时的拟合计算式：(1)当≤0．5时，BS7910剩余强度系数计算式(7)的精度高于或者相当于API579，Janelle=,／1+(0．62+Ot。)y(21)方法的相应计算式(14)和(15)；而当>0．5(2)当0【≥0．5，且≤l时，式(7)的计算值时，BS7910计算式(7)的可靠性低于API579的RSFB>RSFbo电干RsFB与MB成反比，此RSFB53 CPVT含局部减薄缺陷圆柱壳的评定方法Vo128．N082011>RSF的原因是值偏小。为使RSF计算值与RSF改进计算式(28)的计算精度和可靠性都优RSF符合，经反复分析计算，当≤1时拟用替于或者相当于BS7910，API579和Janelle方法1级评定的相应计算式。代，并取式(22)作为鼓胀系数的基本拟合3．3改进的2级评定方法函数：·类似于API5792级评定的做法，把圆柱壳壁M=,／1+(c0+C1)√y(22)厚断面缺陷分为若干小段(见图2)，按如下步骤式中C。，C——待定系数计算含任意缺陷圆柱壳的剩余强度系数RSF：剩余强度系数RSF用式(23)计算：(1)计算每-IJ,段缺陷的面积比=A／A。；RSF=———=二====(23)(2)计算该小段缺陷的参量=／；1一a／,／1+(co+c1Ot)~／y(3)计算该小段缺陷的鼓胀系数M：令：M：√1+max{(0．62+8)，(2．5一1)}Y：[L(L)一11J／,4#3-"(L24)(29)则由式(23)得到：(4)计算该小段缺陷的剩余强度系数Js凡：Y=Co+C1Ol(25)(3o)利用表1中Ol=0．6，0．7，0．8，2mm≤20<6．2mm等试件的参数和爆破失效剩余强度系数(5)含任意缺陷圆柱壳的剩余强度系数实测值RSF，由式(24)计算Y值，应用最小二乘RSF按式(31)计算：法由式(25)计算出c。和c。，圆整后取C。=一l，C，RSFL=min{RSF}(31)=2．5，代入式(22)，得到≥0．5且<1的拟合计算式：r———————————————————=M=√1+(2．5or一1)√(26)(3)综合(1)和(2)条，应用式(21)和(26)，对任何ot~<0．8，>0，取鼓胀系数ML：ML=,／1+max{(0．62+)，(2．5一1)}(27)含缺陷圆柱壳构件1级评定的剩余强度系数RSF按式(28)计算：尺．s=I-O／(28)图2缺陷各段面积与无缺陷面积轮廓图3．2RSF改进计算式的验证4结论为了检验RSF改进计算式(28)的计算精度，采用式(27)，(28)计算了第2节中111个试件的(1)试验验证结果表明：RSF，表1列出了56个试件的RSF6／RSF值。统1)当Ol≤O．5时，BS7910剩余强度系数计算计分析111个试件RSFL的结果得到：RSF6／RSFL式(7)的精度高于或者相当于API579，Janelle方值在0．952～1．10之间；除1个试件的RSF6／法的相应计算式(14)和(15)；RSFL=0．952，其余110个试件的RSF6／RSFL值都2)而当>0．5时，BS7910计算式(7)的可在0．972—1．10之间；111个试件RSF6／RSF￡的靠性一般低于API579的计算式(14)；平均值为1．0244。3)当<1，OL≥0．7时，用BS7910，API579因此，RSF改进计算式(28)既具有很高的计和Janelle方法相应计算式(7)，(14)和(15)计算算精度，又具有满意的可靠性。得出的RSF都可能不安全。将计算式(28)的统计结果和表2中三种计(下转第59页)算方法的统计结果进行比较看出：含缺陷圆柱壳S4 第28卷第8期压力容器总第225期统，以蝶阀开合程度控制烟气排放流量，促使高温℃(工艺要求升温、降温时最大温差≤120oC)，在烟气强制对流，达到均匀加热；保温阶段，设备整体温差控制在20℃，其他指标(3)由于封头壳壁较薄，为防止过热，在底部均达到工艺要求。另外，对上封头和锥体、压环和增设二次辐射装置；简体焊缝等以相同工艺进行局部热处理。热处理(4)在设备锥体和上过渡段设置了导流伞，后的硬度检测无异常、也无超标点。热量在从直筒到锥段时，导流伞使热量沿锥体筒壁流动，达到均匀加热的目的。根据导流装置的5结语情况和各部分筒体内径、壁厚、标高，通过设置从50～150mm厚度不等的保温层来控制温差。聚乙烯全密度反应器制造难度较大，无论是以往产品焊接试板放于反应器简体外侧，试成形、组装，还是焊接、热处理，均需在施工前反复板的热量通过壳体传递，致使试板温度滞后于筒论证，制订完善的现场组焊施工方案并在施工过壁。本次试板增设辅助电加热，由微机采集壳体程中加强各个环节的质量控制。从工程实际考表面温度，将其作为试板的设定温度，并自动加补虑，该组装技术综合使用多项标准规范，保证了反偿温度(保持在±1oC温差内)，做到同步热处理。应器的施工质量，对大型压力容器及同类型的全经过对热处理方案的反复讨论、研究，最终确密度大型反应器的现场组装具有借鉴作用。定反应器在整体热处理时共设置了64个热电偶，参考文献：这样既能保证各热电偶之间的距离小于4500mm，又能保证对人孔、试板等重点部位监测到位。[1]殷喜丰，李春梅，范娟娟，等．全密度聚乙烯生产工艺在热处理前，测量了热电偶布置位置，确认了热电现状[J]．化工生产与技术，2009，16(2)：35—39．偶测温正常后，按工艺曲线操作(见图5)。[2]聂颍新．加氢反应器等大型石化容器制造的发展现状[J]．压力容器，2010，27(8)：33—39．[3]压力容器安全技术监察规程[s]．北京：中国劳动社会保障出版社，1999．[4]GB150-1998，钢制压力容器[s]．越400[5]JB／T4710-1992，钢制塔式容器[s]．赠[6]GB12337-1998，钢制球形储罐[s]．[7]HG20584-1998，钢制化工容器制造技术要求[s]．时间／h收稿日期：2011—06—07修稿日期：2011—07—20作者简介：周钦凯(1981一)，男，助理工程师，主要从事化图5反应器整体消应力时间一温度工艺曲线工设备监造工作，通信地址：230088安徽省合肥市天湖路在整个热处理过程中升降最大温差约为10029号合肥通用机械研究院，E—mail：zqk_396@163．com。【上接第54页)l2JAPI579—1／ASMEFFS一1，Fitness—for—sevics(2)利用试验数据，对BS7910的鼓胀系数[s]．2007．进行修正，建立了改进的1级评定和2级评定[3]BS790m999，Guide。nMethodeforAssessingthe8方法。试验结果表明：RSF改进计算式(28)既满⋯A。。ptabilityofFawi“Mi。sm。mIs]·D，BurkhartsAn0Ⅳi足工程的计算精度，又具有满意的可靠性。而且[4]neL：o．．计算式(28)的精度和可靠性都优于或者相当于m。tPro。。dforLocalThinAreas『M]．WeldingBS7910和API579的相应计算式(7)和(14)。ResearchCouncilBulletin505，September2005．参考文献：[5]李思源，唐毅，聂勇，等·蒸发器含缺陷传热管爆破[I]ASMEB31G-1991，ManualforDeterminingtheRe—mainingStrengthofCo~odedPipelines[S]．收稿日期：2011—07—02修稿日期：2011—07—3159'