壓力容器的安全性評定技術

摘 要：壓力容器作為廣泛應用于電力、航天、化工、石油、能源等諸多工業部門的一個重要部件，同樣也是一種極易發生重大事故的特殊設備。因此，壓力容器安全性評定技術對保障壓力容器的安全運行至關重要，本文中，筆者將闡述目前常用的壓力容器安全評定技術：彈塑性斷裂力學評定方法、線彈性斷裂力學評定方法、失效評定圖法、疲勞斷裂評定方法，并簡要探討壓力容器安全評定技術的發展趨勢。

關鍵詞：壓力容器 安全性評定 趨勢

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0084-01

壓力容器作為廣泛應用于電力、航天、化工、石油、能源等諸多工業部門的一個重要部件，同樣也是一種極易發生重大事故的特殊設備。目前大部分壓力容器都采用焊接方法制造，但是由于運行條件、焊接工藝以及焊接結構固有的缺點，幾乎所有的壓力容器都不可避免的存在各種缺陷，如母材中的冶金夾層、未焊透、夾渣、焊縫中的氣孔等，因此，壓力容器的安全評定技術的研究和應用歷來受到各部門和有關學者的重視。本文中，筆者將闡述目前常用的壓力容器安全評定技術，并探討壓力容器安全評定技術的發展趨勢。

1 目前常用的壓力容器安全評定技術

（1）彈塑性斷裂力學評定方法。該方法以彈塑性斷裂力學為基礎，主要有J積分理論法和裂紋尖端張開位移法（COD法）。Rice于1968年提出J積分評定方法，該理論利用與路徑無關的，避開裂紋尖端的能量積分J來描繪裂紋尖端的應力應變場，判斷依據為，其中為材料相應的臨界值，J積分評定方法不僅適用于大范圍全面屈服的情況，還適用于小屈服、線彈性的情況，并且較裂紋尖端張開位移法更可靠；裂紋尖端張開位移法作為20世紀70年代國際缺陷評定規范主要采用的評定方法，該方法是WELLS于1965年提出，認為當張開裂紋位移達到時，壓力容器的裂紋就會開裂，其中材料的臨界張開位移以試驗測量為準，與試件的形狀、厚度無關，因此該方法在應用中存在一定的局限性。

（2）線彈性斷裂力學評定方法。線彈性斷裂力學將結構視為一個不發生屈服的完全彈性體，并假設結構存在裂紋，描述無限板中心穿透裂紋模型得到裂紋尖端應力場分布規律，研究材料臨界應力強度因子與裂紋尖端的應力場強度因子K之間的關系，因此也稱為K判據，其評定依據為≤。當計算得到的裂紋尖端的應力場強度因子K不滿足上述依據時，壓力容器就可能發生脆性斷裂，此時就需要采取積極的預防措施。該方法適用于脆性材料或者塑性區尺寸較小的金屬材料，當金屬材料的塑性區很大，甚至端部塑性區尺寸已經接近裂紋本身尺寸時，該方法已經不再適用。

（3）失效評定圖法。英國中央電力局在《帶缺陷結構的完整性評定》中提出了失效評定圖技術，隨后美國電力研究院將材料應變硬化的阻力曲線應用于分析裂紋穩定擴展的全過程，并提出了嚴格的失效評定曲線，1986年，美國電力研究院以J積分為基礎，考慮材料的應變硬化效應，拋棄通過立項塑性材料窄條區屈服模型得到失效評定圖的方法，建立了失效評定的三種選擇。目前世界各國的壓力容器缺陷標準都在向美國1986年板的缺陷評定規范靠攏。

（4）疲勞斷裂評定方法。疲勞裂紋穩定擴展階段作為疲勞裂紋擴展的第二階段，此階段也決定了含裂紋壓力容器的的疲勞壽命，目前疲勞裂紋穩定擴展階段的擴展速度以及含裂紋構件的疲勞速度都可以由Pairs公式精確計算。對于壓力容器接管處的高應變區疲勞壽命較短，最大應變接近屈服應變，應變幅度很大，此種應變疲勞問題可以應用裂紋尖端張開位移法理論或者J積分理論進行研究。

2 壓力容器安全評定技術的發展趨勢

（1）疲勞方法的應用。2000年PD 6539：1994與PD 6439：1991發表了合并后的BS 7910：1990修訂版，該標準總結了近年來大量鋼材在海水和空氣總疲勞裂紋擴展實驗數據，推出了新的疲勞裂紋擴展率，得到了更為準確的應力比R的修正法和兩端Pairs關系式，并加入環境因素，給出了較高溫度下的疲勞裂紋擴展，海水環境中無陰極保護和有陰極保護時的新的推薦方法。

（2）智能方法。因為工程結構一般存在大量的不確定性，然而傳統的斷裂力學研究都以確定性實踐為前提，據研究采用模糊的數學方法對工程問題進行模糊處理，可以很大程度上提高壓力容器的安全性評定的可靠性，隨著智能方法在人工神經網絡技術等領域的應用，針對影響壓力容器的眾多因素建立模糊模型必然成為下一步發展趨勢。

（3）概率方法。美國一些研究人員于20世紀80年代將概率統計理論與確定性斷裂力學理論想結合產生了概率斷裂力學，并應用于壓力容器的可靠性評估。基于概率斷裂力學失效方法能夠降低經驗因素的影響，能夠客觀反映評定參數的不確定性，提高分析的安全性和準確性。近年來，Rahman.M建立的對含縱向腐蝕缺陷壓力管道的結構可靠性理論，目前國外一些先進國家已將其應用于指定壽命下高可靠性主動設計中，具有較高的工程應用價值，但是我國新標準還未將其納入其中。

（4）體積型缺陷評定圖方法。近年來，隨著斷裂力學評定技術的發展，特別是最新版的缺陷評定規范在有屈服平臺的非連續屈服材料和無屈服平臺的連續屈服材料中的應用，推動了失效評定技術向體積型缺陷評定圖技術方向發展。

3 結語

綜上所述，壓力容器的安全性評定方法種類很多，包括彈塑性斷裂力學評定方法、線彈性斷裂力學評定方法、失效評定圖法、疲勞斷裂評定方法等，而且隨著斷裂力學理論、計算機技術、故障和缺陷在線診斷技術、傳感技術的發展，壓力容器安全評定技術也在不斷的革新，相信不久的將來，我國也會形成自己的壓力容器安全評定和監測監控技術體系。

參考文獻

[1]候向陶，王鵬，孫振超.壓力容器安全評定技術研究綜述[J].河南科技，2012（1）.

[2]淡勇，高啟榮.壓力容器安全性評定技術進展[J].化工機械，2011（6）.

[3]劉剛.薄壁缺陷結構及其可靠性與安全性[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4]王勇，丁輝，張都清.壓力容器安全性評定方法進展[J].山東電力技術，1996（4）.

[5]王志文，郭奇.焊縫區裂紋的J積分和失效評定曲線的探討[J].大連壓力容器安全評估技術研討會論文，1993.