基于断裂力学的受压容器安全评定方法.pdf

'2004年第30卷第7期　　　　工业安全与环保July2004IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection·21·安全工程基于断裂力学的受压容器安全评定方法伍爱友　蔡康旭(湖南科技大学能源与安全工程学院　湖南湘潭411201)　　摘　要　以断裂力学为基础,对在役含缺陷受压容器的评定方法与评定步骤进行了介绍,规范了缺陷简化及等效裂纹尺寸,并进行缺陷的脆断评定。它能对在役压力容器的现在和未来状况进行评估和预测,判断其是否能够继续使用及安全度如何,并能在安全的前提下使压力容器的潜能得到充分发挥,从而在最大程度上减少危害与损失。关键词　压力容器　断裂力学　应力强度因子　COD准则J积分SafetyAssessmentMethodforPressureVesselsBasedonFractureMechanicsWuAiyouCaiKangxu(SchoolofEnergy&SafetyEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnologyXiangtan,Hunan411201)AbstractThepaperintroducestheassessmentmethodsandproceduresfortheworkinganddefectpressurevesselsbasedonthefractureme2chanics.Theequivalentcracksizeandthedefectsimplificationarestandardizedinaccordancewiththemethod,thedefect’sbrittlefailureisevaluatedandthepresentandfuturestatusoftheworkingpressurevesselscanbeevaluatedandpredictde.Thusthelatentpotentialitiesofthepressurevesselcanbefullybroughtoutonthebasisofsafetyandthehazardsandlossescanbereducedtothegreatestextent.KeywordspressurevesselfracturemechanicsstressintensityfactorthenormofCrackOpenDisplacementjintegral　　压力容器不仅在炼油、化工行业使用较多,在其它工业料,制造竣工图及强度计算书,制造验收记录以及设备操作部门使用也较为普遍。无论是国产压力容器还是进口压力史;②对容器进行简单的强度计算和初步分析,用以计算其容器,都不可避免地存在不同程度的缺陷,而且,压力容器在最大允许工作压力和高应力区,并确定允许裂纹尺寸…a;③使用过程中,还会因为载荷、介质等各种因素的影响,萌生出对容器进行认真细致的目测和无损检测(包括超声波检查,[1]射线探伤,感应检查(eddy-current)及磁粉或液体着色检新的缺陷。如何对待缺陷,特别是超过现行标准的缺陷,是工程界普遍关心的问题。如果坚持不允许任何缺陷存在查),确定缺陷类型、尺寸、方位、形状及缺陷的结构与焊接几那是不经济的,如果不加分析任其存在,那也是危险的。实何尺寸;④对检查出的裂纹尺寸规范化,求出等效裂纹尺寸践证明,并非所有超标缺陷都导致压力容器失效,重要问题…a;⑤将等效裂纹尺寸与最大允许裂纹进行判别,判断裂纹是对缺陷加以区别,进行必要的分析评定,消除那些带有潜存在与否,若允许裂纹存在,确定最大工作压力或确定在已在危险的缺陷,而对安全没有威胁的缺陷则予以保留。目知工作压力下的使用与生产周期;若不允许裂纹存在,做出[5]前,对在役容器缺陷进行安全评定的标准有两大类[2]:一类退役或修复处理。缺陷评定流程如图1。[6]2缺陷简化及等效裂纹尺寸…a的确定是以质量控制为基础的标准,它要求压力容器的质量保持在某种水平上;另一类是以符合使用要求为基础的标准,亦称为“合乎使用”标准,这种标准是在断裂力学的基础上制定的,它能计算带缺陷压力容器的最大安全承载能力,也能决定压力容器在某一特定载荷条件下的最大允许裂纹尺寸,即临界尺寸;另外,还能指导工艺,选择材料,进行事故分析,选择质量控制与保证措施,帮助进行研究和设计工作等。1在役压力容器缺陷评定规范及步骤1984年,合肥通用机械研究所和化工部机械研究院等20多个单位共同制订出我国压力容器缺陷评定规范(CVDA-1984)。规范主要用于在役压力容器的缺陷评定,而且容器的壁厚要求大于或等于10mm,材料的屈服极限要求不大于50MPa,对于受压管道等其它焊接结构,若具备了规范所要求的参数亦可以按规范的方法对其缺陷进行评定。CVDA图1缺陷评定流程[3,4]评定主要包括以下几个步骤:①收集受压容器的设计资 ·22·一般,缺陷可以分为平面缺陷和非平面缺陷。平面缺陷　　当缺陷部位的总应力低于材料的屈服极限时,可以用应包括裂纹、未熔合、未焊透、咬边、叠层等;非平面缺陷包括焊力场强度因子进行缺陷评定。即找到决定裂纹尖端应力强接气孔、夹渣等。在评定过程中,对表面上断开的非平面缺度的力学参量应力场强度因子KⅠ(或KⅡ、KⅢ)与材料陷的其他缺陷,一律作平面缺陷(裂纹)处理。根据裂纹的存抵抗断裂性能参量KⅠC。其计算步骤大致如下:在形式,一般可以简化成3种便于计算的形状,即:表面裂纹表1ψ的数值(半椭圆形或半圆形)、埋藏裂纹(椭圆形或圆形)或穿透裂a/c0.050.100.150.20纹,如图2所示。缺陷简化一般遵循以下原则:①对表面缺ψ1.0051.0151.0311.051陷部分,当缺陷深度H小于壁厚d的0.7倍时,可以简化为a/c0.300.400.500.60半椭圆形(或半圆形),表面裂纹H大于0.7d时,则简化为ψ1.1001.1511.2111.267穿透裂纹。②对埋藏缺陷,当缺陷边缘与两边距离大于0.4a/c0.700.800.901.00倍自身高度H时,简化成椭圆(或圆形)埋藏裂纹;当缺陷边ψ1.3461.4171.4931.571缘一侧与表面距离小于0.4H时,则简化为表面裂纹;当缺表2Ω的取值陷两侧与表面的距离都小于0.4H时,简化为穿透裂纹。③对于穿透缺陷,简化为穿透裂纹。④若存在由两个或两个以λ=a(P1+a)0.4≤λ<0.50.3≤λ<0.4λ<0.3上相临的缺陷裂纹群时,缺陷的简化可查阅参考文献,分别Ω1.131.051.01按其共面与非共面处理。缺陷简化如图3～图5所示。图23种裂纹规则形式图3表面裂纹缺陷转化为了便于比较处理,可将按上述规则简化后的裂纹统一折算成贯穿裂纹。其折算原则是保持折算前后的应力强度图4埋藏裂纹平面简化因子不变,用一个半长为…a的贯穿裂纹代替。…a称之为等效裂纹尺寸。穿透裂纹:等效尺寸为…a=c2埋藏裂纹:等效尺寸为…a=a(Ω/ψ)2表面裂纹:等效尺寸为…a=a(F/ψ)图5穿透裂纹的简化式中,F为与裂纹长短径比相关的常量:3.1计算裂纹部位总的等效拉伸应力5(a/c)1.8+(a/c)F=1.01+5.2×(0.5)×(a/t)(a/c>0)其计算公式为Ω、ψ的取值分别如表1、表2。σ=σ1+σ2+σ3[4,5,7]3缺陷的脆断评定 ·23·式中σ1由外载引起的沿截面均匀分布的拉应力;σ2弯曲应力用于拉伸应力的当量值;σ3焊接残余应力用于拉伸应力的当量值。3.2计算等效裂纹尺寸对裂纹进行简化处理,并决定计算尺寸。计算程序同上。3.3计算应力场强度因子KⅠ图6围绕裂纹尖端的回线3种裂纹的应力场强度因子可按下式计算:J积分值反映了裂纹尖端区的应力变化,即应变应力集穿透裂纹KⅠ=σπc中程度。J积分与同材料相应的临界值Jc可以建立断裂判埋藏裂纹KⅠ=(Ω/ψ)σπa据:J≤Jc。表面裂纹KⅠ=(F/ψ)σπa4结论上式中的c与a是裂纹的计算尺寸。对于容器上的穿断裂力学的迅速发展,推动了断裂理论的工程应用。经透裂纹(包括经简化处理后按穿透裂纹处理过的未穿透裂过多年的研究与大量应用断裂力学的实践,人们积累了相当纹),若裂纹尺寸较大时,需要考虑鼓胀效应。即应力场强度丰富的经验,在压力容器缺陷评定方面制定出一些用断裂力因子还得乘以鼓胀系数M,计算公式如下:学方法确定带缺陷压力容器安全与否的规范及指导性文件。21/2圆柱形轴向裂纹M=[1+1.61(a/Rd)]对在役含缺陷压力容器进行评定时,应先了解容器的材21/2质、力学性能以及所处的缺陷力学状态。由线弹性断裂力学圆柱形环向裂纹M=[1+0.32(a/Rd)]21/2球形容器裂纹M=[1+1.93(a/Rd)]所得出的应力场强度因子评判准则,只适用于解决裂纹尖端3.4评定发生小范围的屈服情况;而对于用高韧度或中低强度材料制若计算应力场强度因子满足如下关系则可认为缺陷是造成的压力容器,其断裂韧性是连续的。同时,裂纹在启裂可以接受的:后尚有相当长的稳定扩展阶段,最后才发生失稳断裂,仍用KⅠ≤0.6KⅠC线弹性断裂力学的理论进行分析,则过于保守,不能充分利然而事实上,工程构件中经常采用的是中低强度钢,在用材料的承载能力。COD理论和J积分理论解决了弹性断这种情况下,破坏之前的裂纹尖端不再受弹性应力场控制www.bzfxw.com,裂所不能解决的问题,同时在线弹性范围内与弹性断裂力学而产生了明显的塑性变形,从而破坏了裂纹尖端的弹性应力的评判结果等价。场。此时裂纹的断裂不再由KⅠ控制,而采用裂纹尖端张开总之,断裂力学指出了解决问题的途径,提出了强度与位移(COD)理论和J积分理论。韧度相匹配的原则,在很大程度上保证了压力容器安全生产裂纹尖端张开位移理论是20世纪60年代由英国人A.与安全使用的可靠性。A.Wells提出来的。实验与分析结果都证实:裂纹受载后尖参考文献1吴秋霜.压力容器安全操作要点浅议.工业安全与防尘,2001,27端附近存在的塑性区使得裂纹表面分离,裂纹尖端有张开的(3):21～24位移。对于一种确定状态的材料来说,裂纹开始扩展时的尖2张兴容.我国的劳动安全监察制度与压力容器事故预防.工业安端张开位移是常数,与几何尺寸、加载方式无关,它是材料对全与防尘,2000(3):30～32裂纹扩展阻力的量度,其临界状态可以用δc表示。等效允3ASME,BoilerandPressureVesselCodeSectionⅦ,RulesforConstruction许裂纹尺寸遵循如下公式:ofPressureVessel,Division2,1993Edition2…am=δc/[2πes(e/es)](e/es≤1)4钱逸,吕忠良.压力容器安全技术基础.北京:中国劳动出版社,…am=δc/[π(e/es)](e/es>1)1993式中,e为总的等效拉伸应变,es为屈服应力σs下的弹性应5吴粤粲.压力容器安全技术手册.北京:机械工业出版社,1999变。6彭蔚华,熊大彬.压力容器安全工程学.北京:航空工业出版社,若…a<…am,被评定的缺陷是可以接受的。1993J积分理论是1968年由美国人Rick提出的。这一理论7J.M.Bloom,S.N.Malik著,陈江译.含缺陷压力容器及管道的完整是利用避开裂纹尖端的与路径无关的能量积分J来描绘裂性评定规程.天津:天津科技翻译公司,1994…u8A.selz.Theworkingstraightpressurevesselandsystematicsafetyjudged.纹尖端的应力场,如图6。其表达式为J=∫Γwdy-€гds。xAmerica:JournalofpressurewesselTechnology,1999,4(10):3335式中:Γ为自裂纹下表面上任意一点开始,按逆时针方向围绕裂纹尖端到裂纹上表面任意一点的积分路径;ds为回路(收稿日期:20040109)上的弧元素;Γ…为作用在ds对应面的Bds上的应力矢量,B为板厚;…u为弧元素的位移矢量;w为任意点(x、y)应变能量密度。'