基于失效路徑理論的壓力容器裂紋缺陷安全評定*

寧朝陽 黎 佳

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)

壓力容器是與國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域密切相關(guān)的一種通用設(shè)備，對于含裂紋缺陷壓力容器的安全評估一直是專家研究的熱點(diǎn)[1]。近年來此項(xiàng)研究取得了一定的進(jìn)展，并形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，譬如國內(nèi)GB/T 19624-2004[2]，國外API 579-1/ASME FFS-1 2007[3]、DNV-RP-F101[4]以及ANSI/AMSE B31G[5]等。盡管取得了不少成果，但研究更多地著眼于當(dāng)前工況下壓力容器是否能夠正常使用[6]，而無法反映隨著裂紋的擴(kuò)展，壓力容器的使用是否安全可靠。利用常規(guī)方法得到的壓力容器安全裕度，僅表征某一時(shí)刻下的瞬態(tài)安全裕度，不能動(dòng)態(tài)體現(xiàn)安全裕度隨裂紋擴(kuò)展的變化情況。基于此，筆者剖析壓力容器失效路徑相關(guān)理論，以穿透裂紋為例進(jìn)行了理論推導(dǎo)與軟件仿真，并提出了標(biāo)定壓力容器安全裕度的一種新方法。

1 壓力容器安全評定與失效路徑分析

1.1壓力容器安全評定方法

圖1 裂紋缺陷簡化評定的失效評定圖

圖2 裂紋缺陷的通用失效評定圖

1.2失效路徑分析

為了進(jìn)一步提升壓力容器安全評估質(zhì)量，動(dòng)態(tài)反映壓力容器安全性和安全裕度，筆者重點(diǎn)引入失效路徑的分析研究方法。失效路徑表示裂紋缺陷由安全狀態(tài)變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)的一種變化趨勢，即將首次對裂紋缺陷安全性的評定點(diǎn)作為起點(diǎn)，由一系列評定點(diǎn)擬合而成曲線段，如圖3所示。圖3中的1、2、…、7點(diǎn)之所以離散，是因?yàn)樵u定的時(shí)間相隔較大，如果在很小的時(shí)間dt內(nèi)取無窮個(gè)評估點(diǎn)，得到的曲線則為接近完全連續(xù)的曲線。

圖3 失效路徑示意圖

2 穿透裂紋失效路徑仿真

2.1理論依據(jù)

基于上述失效路徑理論，以壓力容器中穿透裂紋為例，開展失效路徑仿真,穿透裂紋安全性評定的Kr計(jì)算公式為：

(1)

式中G——相鄰裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)；

KP——評定用材料斷裂韌度；

ρ——塑性修正因子。

載荷比Lr計(jì)算公式為：

(2)

式中a——規(guī)則化后的表征裂紋尺寸；

B——板厚；

Pm——一次薄膜應(yīng)力；

Ri——壓力容器內(nèi)徑；

σs——壓力容器材料的屈服極限。

不難發(fā)現(xiàn)，Kr、Lr均與表征裂紋尺寸a有關(guān)，令Kr=f1(a)，Lr=f2(a)，聯(lián)立方程組，即：

(3)

2.2穿透裂紋失效路徑仿真

在實(shí)施壓力容器裂紋缺陷失效路徑仿真時(shí)，令穿透裂紋擴(kuò)展，即a值不斷增大，可以得到不同時(shí)期裂紋的多個(gè)評定點(diǎn)。通過仿真得到裂紋缺陷由安全狀態(tài)變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)的整個(gè)失效路徑如圖4所示。

圖4 穿透裂紋失效路徑仿真圖

3 安全裕度標(biāo)定方法比較

圖5 安全裕度的常規(guī)標(biāo)定法

基于以上裂紋失效路徑仿真分析，為了更準(zhǔn)確標(biāo)定安全裕度，筆者提出采用基于裂紋失效路徑的安全裕度標(biāo)定法。以圖4為例,定義安全裕度為失效路徑曲線AC與曲線AB的長度比。這種新的安全裕度標(biāo)定方法以動(dòng)態(tài)失效路徑為基礎(chǔ)，避免了常規(guī)標(biāo)定的不足，在一定程度上更為合理，也為安全裕度的標(biāo)定提供了新思路。

4 結(jié)束語

通過深入分析與研究，豐富并完善了裂紋失效路徑理論。在分析穿透裂紋安全評定點(diǎn)計(jì)算方

法的基礎(chǔ)上，通過軟件計(jì)算，實(shí)施了失效路徑的仿真。依托失效路徑的仿真曲線，給出了裂紋安全裕度新的標(biāo)定方法，這種標(biāo)定法克服了常規(guī)標(biāo)定法中存在的不足，為安全裕度和剩余壽命預(yù)測提供了新的思路。

[1] 龍偉,宋恩奎,林思建.基于缺陷失效仿真路徑壓力容器的安全裕度與剩余壽命研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2012,44(4):204～208.

[2] GB/T 19624-2004，在用含缺陷壓力容器安全評定[S].北京：中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2004.

[3] API 579-1/ASME FFS-1，F(xiàn)itness-For-Service [S]. New York：API Publishing Services， 2007.

[4] ASME B31G，Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines[S]．New York：ASME B31 Committee，1984.

[5] DNV RP-F101，Recommended Practice RP-F101 Corroded Pipelines[S].Norway：Det Norske Veritas,2004.

[6] 龍偉,杜仕沖,余進(jìn).基于含缺陷在役壓力容器的模糊評定[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2007，39(1)：166～170.