八五攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”概況

陶雪榮

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

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八五攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”概況

陶雪榮

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

摘 要：在特種設備安全科技發展歷程中，“八五”國家科技攻關課題發揮了樹品牌、奠基業的關鍵作用([1])，具有里程碑意義。本文以 “八五”國家重點科技攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”研究總結與評價報告([2])為基礎，對課題的整體情況和取得的主要成果等做了概括性歸納，旨在記錄歷史，提供借鑒。

關鍵詞：在用壓力容器安全評定 “八五”攻關課題 整體情況 成果簡介

Overview on the Eighth Five Key Issues “Safety Assessment and Explosion Prevetion Technology of the In-service Boiler Pressure Vessel”

Tao Xuerong
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Abstract The Eighth Five national science and technology research project has played a key role of building brand and establishing heritage in the development process of special equipment safety technology. Based on the Eighth Five Key Issues “Safety Assessment and Explosion Prevetion Technology of the In-service Boiler Pressure Vessel”, this article makes a general induction on the subject of the overall situation and the main achievement in order to record history and provide reference.

Keywords Safety assessment of in-service pressure vessel Eighth Five key issues Whole circumstance Achievement introduction

1 課題任務

“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”是由勞動部主持的“八五”國家重點科技攻關項目“勞動安全關鍵技術”中的一個課題(編號:85-924-02)，課題的核心任務是為我國近40萬臺存在各種嚴重缺陷壓力容器的科學治理，提供可靠的技術途徑和方法。

該課題由九個專題組成，中國特種設備檢測研究院負責組織實施。9個專題的名稱、考核指標和負責單位見表1。

表1　專題設置一覽表

編號　專題名稱　提交成果形式及考核目標　負責單位06在役壓力容器危害性缺陷的超聲檢測可靠性研究1、提出缺陷自身高度超聲檢測工程方法2、對于危害性缺陷給出對應一定置信度的“缺陷尺寸～檢出概率”曲線中國特種設備檢測研究院07在役鍋爐壓力容器接管角焊縫超聲檢測技術研究與設備研制1、提交角焊縫自動超聲檢測儀樣機，其精度達到：缺陷定位誤差≤10%缺陷定量誤差≤3～5mmmm2、提出角焊縫超聲檢測推薦方法哈爾濱焊接研究所08在役壓力容器危險性缺陷聲發射檢測評估技術研究與設備研制1、提高深埋裂紋聲發射檢測精度20% 2、提出典型表面裂紋聲發射信號鑒別方法與檢測評估技術3、提交適于氣體、液體介質泄漏的聲發射監測方法及設備樣機4、提交具有八十年代中后期國際商品水平的32通道聲發射儀樣機中國特種設備檢測研究院09壓力容器防爆與抑爆技術研究1、提供具有如下功能的新型組合式安全閥樣品：①超壓動作靈敏，泄放壓力允差≤±5%啟閉壓差<±15%；②在線正常使用與動作后再閉合，密封不漏；③排放出的易燃易爆有毒介質去向安全2、根據有關技術，對具有嚴重缺陷的在役壓力容器通過適當加強措施達到抑爆要求；提交實施繞帶加強防爆技術的設計與應用推薦方法大連理工大學浙江大學

2 總體執行情況

全國46個單位的260名教授、研究員和工程技術人員參加，在只有282萬元研究經費的情況下,經過近4年（1992.3～1995.11）的團結協作、艱苦奮斗、共同努力、甘于奉獻，解決了30多項關鍵技術，取得了9大項的41個獨立成果，提出9份標準草案和56份研究報告，發表129篇論文，研制8種檢測儀器/防爆/抑爆裝置。成果在300多項在用壓力容器檢測評估項目中成功應用，取得了3億元（由當時企業開具的效益證明統計得出）的企業經濟效益和巨大的社會效益，得到了政府和企業的高度好評。

3 成果簡介

課題九個專題的研究成果,經勞動部組織專家鑒定，1個專題屬國際領先水平、7個專題達國際先進水平、1個專題居國內領先水平。

3.1 鍋爐壓力容器爆炸與失效案例、安全評估數據及分析管理系統研究

完成了系統總體設計與系統建立，包括爆炸與失效案例數據庫、安全檢驗信息數據庫和常用材料斷裂特性數據庫及相配套的軟件。系統具有多種功能，三個數據庫已存貯了攻關目標要求的數據量，就系統的先進性、適用性、信息存貯量和它的功能等，均在國內鍋爐壓力容器安全工程領域居于國內領先地位。

3.2 在役壓力容器對接焊縫面型缺陷彈塑性斷裂分析與評定研究 國際先進、部分國際領先

1）首創了考慮裂紋間彈塑性干涉效應并能在失效評定圖上完成裂紋群彈塑性斷裂評定的工程方法，居國際領先水平。

2）提出了能處理二次應力的彈塑性斷裂參量和彈塑性斷裂分析方法,完善了各級評定中處理二次應力的工程方法,提出了比國外更為科學的評定二次應力的ρ因子，居國際領先水平。

3）在計算了我國各種壓力容器用鋼的不同結構處不同裂紋的800條J積分失效評定曲線的基礎上，導出了真正意義上保守的通用失效評定曲線。

4）首創在一個焊接接頭試件上用多剖面法測定焊縫區各部位JlC的工程方法。

5）給出了利用EPRI延性斷裂手冊估算非ROR材料結構缺陷J積分的“塑性多段冪次法”工程計算方法。

6）提出了帶缺口試樣失效評定圖技術和未焊透缺陷斷裂韌度測試及斷裂評定方法。

7）提出三種我國壓力容器常用壓力容器用鋼焊接接頭七個部位的JR阻力曲線及JlC測定值。

8）進行雙向載荷、拉彎載荷、非恒幅載荷下焊接接頭表面裂紋擴展速率試驗研究,為制定規程提供了依據。

9）綜合編制了以失效評定圖技術為主線的“焊接壓力容器面型缺陷斷裂評定推薦方法”。

3.3 壓力容器極限載荷與安定性分析及體積型缺陷安全評估工程方法研究 國際領先

1）提出了結構塑性極限與安定性上、下限分析的降維疊代法、無搜索直接疊代法和溫度參數法等三種數值計算方法。這些方法各有創新，其共同特點是運算速度快、收斂性與穩定性好、精度可靠，大幅度減小了計算規模，突破了復雜結構極限與安定性分析計算量過大的限制，解題速度是現有計算方法的4～5倍，為一般承壓結構（裝備）的極限分析提供了通用、高效和可能的計算工具。

2）在大量帶凹坑壓力容器彈性、彈塑性應力應變計算、極限與安定性分析、實驗測試和爆破實驗的基礎之上，用單參數表征凹坑缺陷的危害程度，建立了小G0值的整體破壞和大Go值的局部泄漏兩種不同的失效模式，給出了形式簡捷、物理意義明確的塑性極限載荷和彈性應力集中單參數計算公式，最終提出了科學、安全、經濟、實用的含凹坑缺陷壓力容器免于評定條件和塑性失穩評定方法。

3）通過大量含氣孔、夾渣壓力容器彈性、彈塑性應力應變計算、極限載荷分析、測試和爆破實驗，用單參數和孔渣X分別表征大氣孔、條渣和小氣孔、點渣的危害程度，建立了局部泄漏和整體破壞兩種不同的失效模式，給出了形式簡捷、物理意義明確的單參數塑性極限載荷和彈性應力集中計算公式，最終提出了科學、安全、經濟、實用的含氣孔、夾渣壓力容器免于評定條件和塑性換穩評定方法。

4）通過含氣孔、夾渣壓力容器疲勞試驗研究，探索采用模糊集理論和人工神經網絡等現代工具進行處理的可能性，建立了適用于含焊縫缺陷容器疲勞評定的模糊疲勞評定圖，并在此基礎上進一步編制了相應的專家系統。

3.4 在役壓力容器接管高應變區安全評估技術研究 國際先進、部分國際領先

1）接管高應變區的斷裂參量研究,給出了該部位應力集中系數計算法,提出了該部位典型缺陷的應力強度因子和裂紋張開位移、斷裂推動力的估算式。

2）接管高應變區缺陷初級評定方法的研究,提出考慮外載綜合作用下的組合應力疊加法,推薦了該部位缺陷的規則化方法,并提出用于該部位的新的COD設計曲線。

3）接管高應變區缺陷彈塑性斷裂分析與評定研究,提出了針對我國鋼材和接管的通用失效評定曲線和失效評定圖。

4）接管高應變區缺陷疲勞擴展與壽命預測研究,取得突破性進展,確定了疲勞裂紋擴展的控制參量,提出了該部位應力強度因子與疲勞擴展速率的計算法,提出了三類表面裂紋在拉、彎、拉彎組合的載荷下描述疲勞擴展形貌變化的統一表達式。

5）接管高應變區應力應變場分析研究,提出用三參數表征該部位應力應變場應力分布的統一表達式和應力集中估算式,研究了超載和焊接殘余應力對該部位應力應變場的影響并提出了相應的工程處理方法。

6）依據局部高應變模型,提出了SCT小試樣模擬方法,并用于模擬接管高應變區斷裂與疲勞試驗研究,取得滿意效果,提出了工程結構接管高應變區的斷裂推動力和疲勞裂紋擴展速率與裂紋閉合效應的計方法,居國際領先水平。

7)在綜合專題的研究成果和綜合研究的基礎上,首次提出了“壓力容器接管高應變區缺陷評定方法指南”草案。

3.5 在役壓力容器綜合安全評估和安全等級評定研究 國際先進、部分國際領先

●3.5.1 1在役壓力容器綜合安全評定建議規范的研究與編制

在全面深入分析當代國際相關安全評定規范與研究成果,充分研究繼承國內現行規范精華與應用經驗,并全面分析吸收其它專題攻關的先進、成熟成果的基礎上,通過反復論證與驗證,提出了“在役含缺陷壓力容器安全評定規程(草案)”及其附錄、編制說明和算例。該“規程”集中體現了本研究的成果,其主要內容和基本特點是:

1）對于面型缺陷的斷裂評定,采用先進的三級評定技術路線。其中，初級評定繼承了國內現行規范之精華，采用COD設計曲線但作了必要的修正并付于失效評定圖的形式，主要用于簡單的篩選評定；二級評定采用了國際通用的通用失效評定圖和取分安全系數方法，但充分吸收了02專題對于處理二次應力影響、裂紋間彈塑性干涉效應、通用失效評定圖對我國鋼材的適用性等最新研究取得的先進成果，用于常規評定；三級評定則采用了本課題、本專題攻關具國際領先水平的成果--以J積分及撕裂模量T為雙參數的斷裂評定理論及其優化方法(稱EPRI工程優化方法)和配套的微機軟件,用于精細評定。對三級評定之間以及本身的理論一致性、科學性、協調性、適用性、可靠性和先進性,均進行了反復論證、驗證、比較。

2）對于體型缺陷的評定,在國內外同類規范中，或未以涉及或基于經驗處理。本“規程”則采用03專題具國際領先水平的成果--以極限載荷和安定性理論為基礎建立起來的凹坑缺陷安全評定方法和本課題、本專題關于安全狀況等級評定研究中對于氣孔、夾渣等體型缺陷的研究成果。

3）缺陷的疲勞評定，采用經過02、04專題研究反復驗證過的國際通用控制裂紋疲勞擴展速率的評定方法,但吸收了專題研究的成果,同時吸收了國際用于體積缺陷疲勞評定的S-N曲線評定方法。

4）對于其它失效模式的安全評定,“規程”也給以了指導性原則。

5）對“規程”的性質、使用原則、基本評定準則、評定程序、所需基本數據與資料及其獲得、失效模式的判別、評定方法的選擇、評定方法細則以及對評定者的要求,均作了詳細的規定與說明，同時附有具體的算例。

●3.5.2 在用壓力容器安全狀況等級評定及軟件開發研究

對在用壓力容器的安全狀況進行等級評定、劃分是中國的獨創。但以往只有基于經驗的、原則的、簡單的、十分保守的規定。本研究在大量的現場調研、缺陷統計、案例分析、數據歸納、缺陷危險度分析和采用多種斷裂評定方法進行分析、比較、計算、驗證與試驗并充分分析、吸收03專題對于體積型缺陷安全評定方法的研究成果和現行安全狀況等級評定經驗的基礎上，確定了各類缺陷安全狀況等級評定的不同處理原則、判據和主要參量,提出了研究報告和安全狀況等級評定方法,并加以工程化、條文化處理和經200例的驗證，編制了“在用壓力容器安全狀況等級評定推薦方法”和應用實例及相應軟件，使安全狀況等級的評定與劃分建立在更為科學的基礎上。

●3.5.3 在役壓力容器綜合安全評定精細分析方法及軟件開發研究

在分析、對比了國際先進的有關彈塑性評價方法規范、手冊或研究的基礎上,結合在役壓力容器的特點,建立了彈塑性起裂和裂紋擴展失穩為主導的雙參數彈塑性斷裂評定體系及與之相配套的EPRI工程優化方法，并采用“綜合安全系數”，較好地解決了平面缺陷常規評定與高級評定之間的合理銜接問題,并編制了優化評定軟件,可進行裂紋擴展全過程的精細評定并能包容二次應力的評定。同時，為國際上二種主要評定路線的融合、統一提供了理論依據和工程方法。研究成果屬國際領先水平。

3.6 在役壓力容器危害性缺陷的超聲檢測可靠性研究 國際先進

●3.6.1 超聲檢測對接焊縫中缺陷自身高度精確測量技術與方法研究

采用了基于“時差方法”的“端點衍射”技術，并配以研制的聚焦探頭進行超聲測量缺陷高度。通過對含人工制造各種自然缺陷的200多塊試樣的試驗研究與解剖驗證和實物容器應用,成功地找到并建立了精確測量缺陷自身高度的超聲檢測技術方法,測量缺陷最小高度可小至1mm，精度誤差0～0.5mm，實現了測高技術的突破。

●3.6.2 超聲檢測可靠性研究

以缺陷高度作為特征尺寸，得到了在一定置信度下的“缺陷尺寸--檢出概率”曲線，首創我國超聲檢測可靠性研究，成果先進。

3.7 在役壓力容器接管角焊縫超聲波自動檢測技術研究與設備研制 國際先進

●3.7.1 自動檢測技術研究

解決了在變曲率掃查面上探傷缺陷定量、定位的數理模型和測量技術，解決了探頭的聚焦技術，建立了探頭作空間馬鞍形軌跡運動的位置坐標的數學模型。

●3.7.2 超聲自動檢測儀器研制

設計、研制了鋁透鏡聚焦探頭、具有多探測方向的自動掃查器、具有缺陷信號自動采集、存貯、處理、圖像二維顯示與自動打印等功能的自動探傷儀及相應軟、硬件，完成了樣機制造、測試和工業環境抗干擾試驗及工業應用驗證，并編制了相應的檢測標準草案。

3.8 在役壓力容器危險缺陷聲發射監測、檢測評估技術研究與設備研制 國際先進

●3.8.1 壓力容器危險性缺陷聲發射檢測評估技術研究

詳細系統地研究了壓力容器上典型表面裂紋和深埋裂紋的聲發射信號特征，首次有效地實現了以時差定位源為主要判據的壓力容器上典型表面裂紋和深埋裂紋的聲發射信號鑒別，提出的“金屬壓力容器聲發射檢測及結果評價方法”標準(草案)，首次給出了以時差定位源為主要判據的聲發射信號源分類方法；率先采用現代譜分析方法和人工神經網絡相結合的模式識別方法對壓力容器加載產生的各種聲發射信號進行分析和處理,所編制的人工神經網絡能有效地進行聲發射源信號模式識別、區分裂紋擴展與其它噪音源引起的聲發射信號差別。

●3.8.2 壓力容器氣液介質泄漏的聲發射監測評估技術研究

解決了氣/液泄漏聲發射信號特征與鑒別技術，采用適用的均方根電壓為特征參數，研究解決了泄漏量與聲發射信號關系以及監測、評價方法，建立了監測系統并經應用考核。

●3.8.3 八通道聲發射泄漏監測儀研制

采用PC總線功能卡設計,配上Windows環境下開發的、面向監測對象的支持軟件，可在線連續、實時、自動監測泄漏，具有智能化儀器優點,工作可靠。

●3.8.4 多通道(8～32通道)聲發射檢測儀(系統)的研制

硬件設計采用PC AC總線，具靈活的升級能力，系統的采集、分析軟件采用中文Windows工作環境，可同時采集聲發射信號的九個特征參數，具有強大的實時采集、顯示、定位功能和強大的分析處理功能等。

3.9 壓力容器防爆與抑爆技術研究

●3.9.1 壓力容器防爆技術研究 國際先進

1）易燃氣體爆炸超壓特性與緊急安全泄放技術研究。提出了分析模型，研究了燃爆等情況下的各種特性，編制了燃爆泄放數值計算程序，對各種化工流體的超壓過程進行了摸擬與計算，進行了燃爆泄放試驗與設計，確定了工業應用的緊急泄放方案并在工業實用。

2）特種爆破片的研制。成功地攻克了刻槽技術，研制成功兩大類七系列特種爆破片，經10萬次以上壓力循環試驗，動作靈敏準確，動作響應時間達毫秒級，性能穩定，泄放面積大，無碎片。獲5項國家專利，并批量生產了887批次產品，在數十家企業應用。

3）雙作用先導式安全閥的研制。研制的新型安全閥具有雙重防超壓功能，并兼有傳統彈簧安全閥與現有先導式安全閥之優點，已研制成功兩種類型產品，獲國家發明專利并已批量生產數十臺，在多家企業應用。

4）新型隔離(組合式)安全閥的研制。該產品是安全閥與特種爆破片的組合結構，兼有二者優點，成功解決了結構的優化組合，研制成功并投入試用。

●3.9.2 壓力容器抑爆技術研究 國內外獨創、國內領先

1）軸向弧形貼板繞細抑爆技術研究。經加強結構力學分析試驗，可起阻止裂紋擴展作用、實現抑爆延壽，已獲中國發明專利，屬國內外獨創技術。

2）壓力容器抑爆檢漏式在線安全監控技術與裝置研究。用于抑爆結構壓力容器，設置保護外殼和泄漏檢測、收集、報警與分析處理系統，實現泄漏的在線監控，已在浙江巨化進行工業應用，獲中國發明專利，屬國內外獨創技術。

4 成果應用

本課題的主要任務是為我國40萬臺存在各類嚴重缺陷的壓力容器，提供急需的準確檢測和科學評價的方法，以便實施可行的綜合治理，保證設備運行安全。因此，研究成果在課題實施期間已經得到一定范圍的應用。

4.1 安全評估方面的成果

課題實施期間，研究成果在秦山核電廠、上海高橋化工廠、吉林有機合成廠、北京燕山石化公司、昆明鋼廠等全國石油、化工、石化、冶金行業的50多家企業的壓力容器檢驗與評估中應用，為企業帶來2億多元的經濟效益。僅對秦山核電廠T-4密封殼的安全評估與壽命預測一項，就保證該設備安全運行20個月，避免停工損失，多發電數十億千瓦時，經濟效益逾億元。凹坑缺陷評定的研究成果在40多家企業的應用中，也為企業帶來6000多萬元的經濟效益。安全狀況等級評定研究成果，在全國200多臺壓力容器檢驗中應用，取得了巨大的社會、經濟效益。

4.2 超聲和聲發射檢測技術方面的成果

課題實施期間，研究成果在鎮海石化總廠、齊魯石化公司化肥廠、洛陽石化公司、深圳煤氣公司等單位的26個檢測、評估項目中，對150多臺壓力容器進行了實用，為企業帶來近2000萬元的經濟效益。1993 年,深圳市發生“八?五”特大火災爆炸后，因幾家主要液化氣公司的40臺大型壓力容器受爆炸沖擊波嚴重影響，被迫停止供氣，全市居民用氣告急。在深圳市政府的要求下，08專題組約請數家單位，應用最新攻關成果,為40臺大型容器進行緊急檢測與評定，既確保了容器的安全，又贏得了寶貴的時間，既為企業減少了上千萬元的損失,又為穩定人心和社會秩序做出了貢獻。

參考文獻

[1] 陶雪榮，沈功田，俞躍，等．特種設備安全科技發展回望[J]．中國特種設備安全，2015，31(6)：22-32.

[2] 李學仁，陳鋼，陶雪榮，等．“八五”國家重點科技攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”研究總結與評價報告[R].

收稿日期：（2016-02-10）

作者簡介：陶雪榮(1958～)，女，研究員，中國特種設備檢測研究院副總師，長期從事科技管理工作。

文章編號：1673-257X(2016)03-0030-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.007

中圖分類號:X924.2

文獻標識碼：B