承壓設備合于使用評價方法研究進展

摘 要 承壓設備的合于使用評價作為安全狀況評估的重要手段，是承壓設備完整性管理的重要內容。基于失效模式設計理念，分別從線彈性斷裂力學、COD設計曲線、失效評定曲線和J積分理論方面對承壓設備合于使用評價進行歸納和總結，分析各個方法的評價特點以及主要針對的問題，并對承壓設備合于使用評價的發(fā)展趨勢做出展望。

關鍵詞 承壓設備 合于使用評價 研究進展

中圖分類號 TQ050.7" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0191?06

工業(yè)領域內，壓力管道、容器、鍋爐、儲罐等的安全性不容忽視，定期的維護保養(yǎng)、檢驗檢測作為保障其安全性的重要手段，對保障承壓設備正常運行具有重要意義。

承壓設備在設計、制造、安裝或使用的過程中，不可避免地會產生缺陷，最終導致設備失效。合于使用評價作為完整性管理的重要組成部分，貫穿設計、制造、施工及使用和維護整個過程，其核心是分析確定承壓設備在諸多危害性因素條件下的完整性狀態(tài)，在此基礎上提出保障承壓設備安全運行的措施。

合于使用評價是以斷裂力學、材料力學、彈塑性力學和可靠性系統(tǒng)工程為基礎的工程分析方法[1，2]。20世紀80年代，承壓設備安全性分析及管理已經在國外被提出，1988年，美國ASME和API共同發(fā)布了“ASME/API壓力容器和管道檢查規(guī)范”。20世紀90年代末，API發(fā)布“基于風險的檢驗（Risk?Based Inspection，RBI）”，標志著對在役承壓設備檢驗方法新模式探討的開端;此外，歐盟也積極開展具有歐洲特色的RBI+FFS標準[3～5]。國內于20世紀80年代左右對承壓設備進行壽命管理工作，在參考國外現(xiàn)行標準的基礎上，于1994年頒布剩余壽命評估標準，為承壓設備合于使用評價進一步發(fā)展做出鋪墊。目前，基于失效模式和失效機理的合于使用評價對承壓設備的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，通過大量的工程應用和實踐研究，總結出承壓設備的失效原因主要有脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞、腐蝕、蠕變及失穩(wěn)等[6～10]。

筆者以承壓設備合于使用評價方法作為主要研究內容，分類討論各評價方法的優(yōu)劣性和適用性，并展望了今后的研究方向。

1 基于失效模式設計理念的合于使用評價

承壓設備失效模式理念和基于失效模式的設計作為合于使用評價的重要依據，在實際科學研究和工程應用中起著重要的作用。在承壓設備使用過程中，會不可避免地產生各類缺陷，基于損傷和失效模式的合于使用評價，在保障客觀性的前提下，對承壓設備做出可靠的評估以保障其安全運行[11]。

1969年，美國ASME委員會在研究中指出承壓設備的過度彈性變形、脆性斷裂等8種失效模式;2002年，歐盟EN13445指令最早將短期、長期、循環(huán)三大類失效模式引入分析設計;2007年，ISO 16528?1中給出了目前比較公認的壓力容器三大類13種失效模式;2017年，我國GB/T 34019—2017《超高壓容器》首次引入基于失效模式設計理念。

承壓設備服役運行環(huán)境是一個極其復雜的系統(tǒng)，包含各種材料性能、力學載荷、環(huán)境變化及介質特性等[12，13]。基于失效設計理念的合于使用評價，是考慮承壓設備潛在的失效模式和后果分析，對承壓設備當前狀況的完整性評估，在實際工程應用中具有重要意義。

承壓設備合于使用評價是以超標缺陷、環(huán)境影響和材料劣化的安全評估為核心，建立結構完整性技術及其相應的工程安全評定規(guī)程，其流程如圖1所示。

2 合于使用評價方法

2.1 基于線彈性斷裂力學的評定方法

斷裂作為材料的一種失效模式，其準則在預測含裂紋材料的破壞及裂紋擴展等方面具有重要意義。早在1913年，INGLIS C E用彈性體能量平衡的觀點，研究陶瓷等脆性材料中裂紋擴展問題，提出脆性材料裂紋擴展的能量準則[14]。1957年，IRWIN G R提出應力場強度觀點和應力強度因子斷裂準則，與Grwith能量準則構成了線彈性斷裂力學的核心內容[15]。后來，在學者們的共同努力下，基于彈性力學的方法以線彈性材料為物理模型，提出用應力強度因子K來描述裂紋尖端應力場，建立裂紋擴展的臨界條件，即線彈性斷裂力學[16]。

2.1.1 應力強度因子K準則

在應力作用下，裂紋擴展的影響因素主要有應力和裂紋尺寸，而應力強度因子反映了裂紋尖端附近應力強弱的程度[17]。含缺陷結構受到外界載荷時，其應力強度因子可作為低應力脆斷發(fā)生與否的控制參數。根據構件上施加載荷類型的不同，應力強度因子分別有張開型、滑開型和撕開型。其中，實際工程應用中以張開型為主，張開型也是低應力脆性斷裂的主要原因，張開型斷裂判據可表達為：

其中，f為形狀修正系數（與裂紋尺寸a和幾何尺寸W相關）;K為材料的斷裂韌性;σ為裂紋頂端處名義應力。

從式（1）可以看出，K僅由裂紋尺寸a和名義應力σ確定，在均勻拉應力的作用下，K隨外應力的增大而增大，當外應力增大到一定程度時，裂紋達到失穩(wěn)狀態(tài)，此時，即使外力不再增加，裂紋也會迅速擴展，直至斷裂。

2.1.2 應變能釋放率G準則

應變能釋放率通常指含缺陷材料受到外界載荷導致裂紋擴展時應變能的改變量，即裂紋擴展力，國外學者GRIFFITH首先提出能量平衡理論，即：

式中 A——裂紋處面積;

Q——總能量;

Γ——斷裂能;

Π——應變能與外力功之和。

能量平衡理論方程是基于張開型裂紋擴展，裂紋的擴展形式沿其延長線。當裂紋擴展引起總勢能釋放的能量等于形成新裂紋所需總能量時，裂紋起裂，即最大能量釋放率G。PALANISWAMYK等于1972年提出了混合裂紋能量釋放脆斷準則[18，19]，表達式為：

式中 E——彈性模量;

K——I型應力強度因子;

K——II型應力強度因子;

μ——材料泊松比;

θ——極坐標下極角。

2.2 基于COD設計曲線的評定方法

COD設計曲線作為一種最基本的斷裂力學評定方法，由WELLS于20世紀60年代依據彈塑性力學理論基礎首先提出，隨后學者利用寬板拉伸實驗確定含缺陷構件裂紋尖端張開位移、缺陷尺寸及應變值之間的關系，并由BURDEKIN等于20世紀70年代修正，表達式如下：

式中 a——裂紋長度的一半;

Φ——COD值;

δ——斷裂韌性COD值;

ε——構件缺陷處的施加應變;

ε——屈服應變。

COD設計曲線評定準則以英國BSI PD6493?80為代表，在當時具有一定的先進性，并在壓力容器和焊接結構的安全評價中得到廣泛的應用，其評定曲線如圖2所示。但由于COD設計曲線是以大量工程經驗為基礎，理論支撐欠缺，因此是一種較為保守的評估方法。對于含缺陷結構的評定，根據缺陷的應力應變可求得實際參數，從而利用COD設計評定曲線進行安全性評估[20～22]。

2.3 基于失效評定曲線的評定方法

隨著斷裂力學研究的不斷深入，基于失效評定曲線的評定方法應運而生，主要對石油化工及核工業(yè)中承壓設備進行合于使用評價，從材料、運行條件、損傷模式、無損檢測、應力應變以及統(tǒng)計分析等方面對承壓設備進行完整性評價，并將其納入ASME標準（API 579?1/ASME FFS?1），其安全評估包括對在役設備缺陷的評估和對材料退化引起損傷的評估[23]。

承壓設備的形式和失效模式多種多樣，由于含缺陷結構的失效需服從線彈性強度因子理論和塑性失穩(wěn)準則，失效評定曲線也稱為雙判據評定法。其中薄壁結構本體上的裂紋多為表面裂紋，采用Ramberg?Osgood應力-應變法則，經典失效評定曲線方程簡化后如下[24]：

ε/ε=σ/σ+α（σ/σ）（6）

ε=σ/E

其中，n為冪硬化指數;α為硬化系數;ε為初始應變;σ為應力;σ為屈服應力。

結構中裂紋的J積分可以表達為：

J=J（a，p）+J （a，p，n）（7）

其中，a為裂紋尺寸;a為裂紋長度;J（a，p）是

Irwin等效裂紋長度上的J積分;J 是J積分的塑性分量;p為載荷。

隨著斷裂力學評定技術的發(fā)展，針對不同工況的失效評定曲線也在不斷完善;目前國際上諸多安全規(guī)范采用失效評定曲線的評估方法，如API RP579、R6、BS7910等。國內學者對韌性材料傾斜裂紋、高壓容器應變區(qū)等的失效評定曲線進行相關研究，提出可靠性指標線概念并對算法進行推導，探討影響因素及作用[25]。

2.4 基于J積分理論的評定方法

含缺陷結構J積分方法最早由美國電力研究協(xié)會EPRI提出，與傳統(tǒng)的靜力學分析方法相比，J積分理論直接從材料斷裂機理出發(fā)，直接定義裂紋方向及尖端，可以描述裂紋尖端應力應變場的強度，更加符合裂紋擴展的實際情況[26]。對于缺陷平面上的J積分可以表示為[27，28]：

式中 T——主應力;

u——位移;

W——應變能密度;

Γ——積分路徑。

對式（8）解析證明可知，J積分可描述裂紋尖端的應變狀態(tài)且與積分路徑無關;將平面上的二維J積分沿著裂紋擴展方向逐點積分可得裂紋的三維積分，其表達式如下：

其中，I為二階單位張量（單位矩陣）;L為裂紋長度;q為矢量場;dA=dsdΓ;λ（s）為裂紋在s點的長度;ω為應變能密度;?u/?X為位移梯度，u為位移場，X為材料坐標。

J積分的計算評定方法從結構、載荷、裂紋尺寸、屈服強度方面分析對失效產生的影響，平面缺陷的失效評定曲線分析評定以J積分計算為基礎，是相對先進和完善的分析方法。而對于塑性應力場的求解，J積分方法求解復雜，借助有限元分析求解可得精確的J積分，因此精確的J積分并不適用于工程中含缺陷結構的安全評定[29]。實際工程應用中常用工程估算的方法，簡化J積分求解，增強其適用性。

3 結束語

承壓設備合于使用評價技術經過幾十年的發(fā)展，其相關理論和實踐經驗都在不斷完善和豐富。尤其是在含缺陷承壓設備的安全評定中，合于使用評價技術已成為不可或缺的手段。通過合于使用評價方法，基于缺陷或損傷的動力學發(fā)展規(guī)律，可以實現(xiàn)對含缺陷承壓設備結構安全可靠性的評價。在實際的工程應用中，針對不同的環(huán)境工況，衍生出線彈性斷裂力學、COD設計曲線、失效評定曲線、J積分理論等合于使用評價技術。

隨著模糊數學、概率斷裂力學理論、人工神經網絡等的不斷發(fā)展，有大量承壓設備安全評定新方法被提出，且評定方法在不同含缺陷結構工況下的應用也在不斷拓展，但仍有諸多不足之處，想要得到合于使用評價技術在苛刻條件下的精準應用，還需要更多的專家和學者共同參與。比如含體積型缺陷的安全評定技術、三維J積分簡化算法以及苛刻工況下合于使用評定技術等問題。因此需要從以下幾個方面進一步探索和研究：

a. 合于使用評價方法由確定性向可靠性轉變，合于使用評價所需的材料、應力、溫度、缺陷尺寸等都具有分散性，需要采用可靠性方法予以考慮，即基于概率斷裂力學的安全評定方法，目前國外主流標準采用基于可靠性的分安全系數法，是當前的發(fā)展方向之一。國際上以英國R6為代表，其第4版增加了基于概率斷裂評定的方法。

b. 隨著新型化工能源裝置的快速發(fā)展，復雜、極端工況下材料及結構的損傷機理、失效模式和安全評價方法仍不明確，需要進一步研究建立評價準則，先進檢測及監(jiān)測技術的發(fā)展有利于提高合于使用評價精度。高溫工況下的裂紋缺陷、材料斷裂韌性的檢測、材質劣化及蠕變損傷、應力應變等檢測技術仍需提升，因此先進無損及微損檢測技術對評價的準確性具有重要意義。

c. 合于使用評價技術向數字化、智能化方向發(fā)展，其中基于神經網絡技術的安全評定系統(tǒng)對于高度非線性問題的運用最為廣泛。國外TWI CrackWISE、Codeware INSPECTs等評價軟件已經較為成熟，并得到較好的應用，目前國內雖有一些研究院所開發(fā)但成熟度不高，還需進一步追趕和發(fā)展。未來合于使用評價技術有望與數字工廠、數字孿生、智能運維等技術深度融合，促進承壓設備風險防控一體化技術和平臺的構建。

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