CN101975695B - 含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法，其包括以下步骤：S₁、进行无损检测及标准拉伸实验；S₂、获取不同材料硬化指数n对应的全塑性解系数h₁，计算ln(h₁/h₁(n＝1))，其中，h₁(n＝1)为n＝1时的h₁值；S₃、绘制ln(h₁/h₁(n＝1))与n之间的关系曲线，将其拟合成线性关系，斜率记为B，根据公式φ＝exp(-B)计算缺陷尺寸影响因子φ，其中，exp表示以自然对数e为底指数的指数函数；S₄、建立失效评定曲线，计算截断点位置；S₅、确定承压设备发生塑性破坏的程度L′_r和断裂失效程度K′_r，判断含裂纹类缺陷承压设备的安全状态。本发明包含了缺陷尺寸因子φ对安全性的影响，评定更加准确；由于φ未受材料参数n的限制，因而本发明可简单易行地用于任意材料的计算。

Description

含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法

技术领域

本发明涉及一种安全评定方法，特别是涉及一种含裂纹类缺陷的承压设备，如压力容器、压力管道等的安全评定方法。

背景技术

承压设备是压力容器、压力管道、承压附件、压力锅炉等以流体压力为基本载荷的设备总称。广泛应用于石油、化工、食品、制药、航空航天、能源等领域。由于这些承压设备的服役条件千差万别，有高温、低温、深冷；有超高压、高压、中压、低压和真空等；有强酸、强碱、剧毒、易燃和易爆等介质，实际生产中的设备不可避免的存在着不同程度的缺陷。因而设备一旦发生泄漏或爆炸事故，将产生严重的破坏，不仅造成经济损失，而且会造成严重的环境污染。在众多设备事故中，由裂纹类缺陷导致的事故占比最大，因此裂纹类缺陷是一类危害性最大的缺陷。然而，如果管理者为了“安全保守”而一味将含此类缺陷的设备进行返修或报废，就会造成巨大的资源浪费。实践证明，并非所有超标缺陷都会导致设备失效，重要的是对缺陷加以区别，进行必要的分析评定，消除那些带有潜在危险的缺陷，而对安全没有威胁的缺陷则予以保留，达到既保证安全，又减少经济损失的目的。这就需要我们对裂纹类缺陷进行安全评定。

目前国际上普遍采用失效评定图(FAD)技术进行承压设备的安全性评价。失效评定图法起源于英国原中央电力局的双判据失效评定图，该方法同时考虑了弹塑性断裂失效和塑性极限两个失效准则，是兼顾安全可靠性和适用性的评定方法。经过多年的发展，该方法已发展为以J积分方法为基础的FAD法，如R6第四版，但是其存在两方面的不足：一、工程常用的选择1(通用)和选择2(材料相关)的FAD忽略了缺陷尺寸的影响，降低评定精度，甚至在某些条件下出现非保守的现象；二、对于更高精度的选择3FAD，由于其建立在专业软件的复杂J积分计算基础上，实现的成本高，而且通常设备由普通的工程技术人员来检修，运用专业软件进行计算难度太大，不易实现。针对上述两大不足本发明提供了一种简便易行且精度较高的安全评定方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服选择1和选择2FAD技术忽略了缺陷尺寸的影响，评定精度偏低，且选择3复杂、不易实现的问题，提供了一种简便易行且精度较高的含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S₁、采用无损检测来确定承压设备中裂纹类缺陷的位置、形状和尺寸，并对设备材料进行标准拉伸实验；

S₂、针对所述承压设备的确定缺陷尺寸，获取不同n值对应的h₁值，计算ln(h₁/h₁(n＝1))，其中，n为材料硬化指数，h₁为全塑性解系数，h₁(n＝1)为n＝1时的h₁值，ln表示取底数为e的对数；

S₃、绘制ln(h₁/h₁(n＝1))与n之间的关系曲线，并且将所述关系曲线拟合成线性关系，将斜率记为B，根据式1计算缺陷尺寸影响因子φ，

式1：φ＝exp(-B)，

其中，exp表示以自然对数e为底指数的指数函数；

S₄、建立待评定承压设备材料的失效评定曲线，并计算截断点位置；

S₅、通过式2和式3分别确定承压设备发生的塑性破坏的程度和断裂失效程度，将评定参数(L′_r，K′_r)作为评定点描绘到评定图中判断含裂纹类缺陷承压设备的安全状态，

式2： $L_r^{\′}=\frac{p}{p_L\mathrm{\φ}},$

式3： $K_r^{\′}=\frac{K_1}{K_{\mathrm{mat}}};$

其中，L′_r表示设备发生塑性破坏的程度，K′_r表示设备发生断裂失效的程度，p为承压设备实际承受载荷，p_L为设备极限载荷，K₁为应力强度因子，K_mat为材料的断裂韧性。

较佳地，步骤S₁中所述的无损检测可采用超声检测、射线检测等，所述裂纹类缺陷可为裂纹、未熔合等，所述的尺寸包括缺陷的深度a和长度1，所述标准拉伸试验可获得设备材料在工作温度下的真应力应变曲线、屈服强度σ_y、抗拉强度σ_b及杨氏模量E。

较佳地，步骤S₄采用origin软件等绘图软件作图。

较佳地，步骤S₄还包括以下步骤：

S₄₁、输入由所述标准拉伸试验得到的设备材料的真应力、真应变，作为origin作图软件中的A、B两列，分别记为σ_ref*列和ε_ref*列，其中，σ_ref*为参考应力，ε_ref*为参考应变；

S₄₂、添加C列，记为L_r*列，设L_r*列为横坐标，设置L_r*列值如式4，

式4： $L_r^{*}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_y};$

S₄₃、添加D列，记该列为K_r，设K_r列为纵坐标，设置K_r列值如式5，

式5： $K_r={[\frac{L_r^{*2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{2E{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}+\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}]}^{-0.5};$

其中，E为杨氏模量，L_r*为失效评定曲线横坐标，表示载荷与极限载荷的比值；K_r列为失效评定曲线纵坐标，表示弹性分量J_e与J积分比值的平方根；

S₄₄、取L_r*列与K_r列绘制评定曲线。

较佳地，步骤S₄中所述截断点位置根据式6进行计算，并将其绘制在评定图中，

式6： ${L_r}^{\max }=\frac{{\mathrm{\σ}}_f}{{\mathrm{\σ}}_y\mathrm{\φ}},$

其中，

表示截断点位置，σ_f为流变应力，所述σ_f取σ_y、σ_b的平均值。

较佳地，在步骤S₅之后还包括以下步骤：若该评定点落到曲线与截断点包围的面积内，则可判定所评定承压设备裂纹类缺陷不会起裂，允许继续运行；若评定点落在失效评定曲线上方，则不能排除设备发生断裂的可能性，需要进一步的评定或维修。

较佳地，所述曲线图可采用origin软件、excel等软件或手绘进行绘制。

本发明的积极进步效果在于：本发明提出的安全评定方法包含了缺陷尺寸因子φ，该因子是已通过经验和理论证明的，能够更精确地反映了断裂参量J。该发明与现有的R6选择1和选择2失效评定图法相比，包含了缺陷尺寸的影响，因而更加准确；与选择3失效评定图法相比，由于φ因子未受材料参数n的限制，因而该发明可用于任意材料的计算，避免了复杂的J积分计算或复杂的有限元模拟。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的流程图。

图2为本发明的较佳实施例中承压设备存在的裂纹缺陷的形状示意图。

图3为本发明的较佳实施例中由标准拉伸试验测得的对应材料的真应力应变曲线图。

图4为本发明的较佳实施例中承压设备的裂纹缺陷尺寸对应ln(h₁/h₁(n＝1))与n的关系图。

图5为本发明的较佳实施例中利用origin作图软件所绘制的评定曲线和评定点。

图6为本发明的较佳实施例中的安全评定方法与有限元方法、R6选择2FAD评定方法所对应无量纲参量J/J_e的对比图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

本发明针对目前安全评定方法存在的问题提出了一种兼顾精度和简便性的评定方法。本发明由两个流程组成，第一个流程为确定承压设备材料所对应的评定曲线的过程；第二流程为对含裂纹类缺陷设备的安全性进行评定的过程。

如图1所示，一种含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法包括以下步骤：

S100、采用无损检测来确定承压设备中裂纹类缺陷的位置、形状和尺寸，并对设备材料进行标准拉伸实验。

常用的无损检测包括射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等等，本发明中的无损检测可采用超声检测等来确定承压设备中裂纹类缺陷的位置、形状、裂纹类缺陷的尺寸，包括缺陷的深度a和长度1。取承压设备材料的预留试样进行标准拉伸试验，从而获得设备材料在工作温度下的真应力应变曲线、屈服强度σ_y、抗拉强度σ_b及杨氏模量E等参数。

S101、针对所述承压设备的确定缺陷尺寸，获取不同n值对应的h₁值，计算ln(h₁/h₁(n＝1))，其中，n为材料硬化指数，h₁为全塑性解系数，h₁(n＝1)为n＝1时的h₁值，ln表示取底数为e的对数。

材料硬化指数n和全塑性解系数h₁是材料的特定参数，通常可以通过检索获取，如《EPRI延性断裂手册》、《弹塑性断裂分析工程方法》或公开发表的文章及数据库。

S102、绘制ln(h₁/h₁(n＝1))与n之间的关系曲线，并且将所述关系曲线拟合成线性关系，将斜率记为B，根据式φ＝exp(-B)计算缺陷尺寸影响因子φ，其中，exp表示以自然对数e为底指数的指数函数；

S103、建立待评定承压设备材料的失效评定曲线，并计算截断点位置。

首先，输入由所述标准拉伸试验得到的设备材料的真应力、真应变，作为origin作图软件中的A、B两列，分别记为σ_ref*列和ε_ref*列，其中，σ_ref*为参考应力，ε_ref*为参考应变。

然后，添加C列，记为L_r*列，设L_r*列为横坐标，根据公式

设置L_r*列值。

其次，添加D列，记该列为K_r，设K_r列为纵坐标，根据公式

设置K_r列值。其中，E为杨氏模量，L_r*列为失效评定曲线横坐标，表示承压设备所受载荷与极限载荷的比值；K_r列为失效评定曲线纵坐标，表示弹性分量J_e与J积分比值的平方根。

最后，取L_r*列与K_r列绘制评定曲线。

此外，在完成失效评定曲线的绘制之后，还需要计算截断点的位置，根据公式

进行计算，并将其绘制在评定图中。其中，

表示截断点位置，σ_f为流变应力，所述σ_f取σ_y、σ_b的平均值。这样就完成了整张失效评定曲线图。

S104、通过公式和公式

分别确定承压设备发生塑性破坏的程度和断裂失效的程度。其中，L′_r表示设备发生塑性破坏的程度，K′_r表示设备发生断裂失效的程度，p为承压设备实际承受载荷，p_L为设备的极限载荷，K₁为应力强度因子，K_mat为材料的断裂韧性。K_mat可由三点弯断裂韧性试验或者已公开的数据获得。

S105、利用origin作图软件将评定参数(L′_r，K′_r)作为评定点描绘到评定图中以判断含裂纹类缺陷承压设备的安全状态。此外，曲线图也可采用excel等软件或手绘进行绘制。

S106、若该评定点落到曲线与截断点包围的面积内，则可判定所评定承压设备处于安全状态，不会起裂，因此允许继续运行。

S107、若评定点落在失效评定曲线上方，则不能排除承压设备发生断裂的可能性，需要进一步的评定或维护。

应用实施例：

以下通过一个实际应用的实施例来具体说明本技术方案。

某石油化工公司炼油厂催化车间的管线存在环焊缝裂纹缺陷，需要进行安全性评价。该管道的材料为20#钢，管道的外径R_o＝52mm、内径R_i＝48mm、厚度t＝4mm，焊缝材料仍为20#钢。管道工作温度为常温，管内承受的压力p＝8.5Mpa。

现利用本发明对该管道安全状态进行评定，其过程如下：

一、利用超声波检测方法来确定裂纹缺陷的位置和尺寸，包括缺陷的深度a和长度l。

无损检测发现靠近内表面的焊接接头处存在裂纹缺陷，该缺陷可视为表面缺陷。如图2所示，无损检测结果显示裂纹缺陷尺寸在环向最大长度l＝61.5mm、裂纹缺陷自身深度a＝1.5mm。根据裂纹缺陷的形状可将其简化表征为半椭圆形，裂纹缺陷的长度和深度可规则化表征为：a/t＝0.375、θ/π＝0.204，其中θ表示缺陷长度l的一半所对应的弧度。

二、通过标准拉伸试验测试管道材料，即20#钢焊接接头在室温下的拉伸试验，获得真应力应变关系及材料性能参数。

本实例中，测得20#钢的机械性能如下表1所示：

表1、20#钢的机械性能数据

屈服强度σy	抗拉强度σb	杨氏模量E	温度T
				386.7Mpa	490Mpa	200362Mpa	20℃

材料的真应力应变关系由试验设备直接得出，如图3所示。此外，材料的真应力应变关系也可由下式1表示：

式1

其中，σ_真表示真应力，ε_真表示真应变。

三、获取管道裂纹缺陷尺寸影响因子φ

(1)本实施例中管道半径厚度比为12.5，工况仅包括内压作用。通过检索“EPRI延性断裂手册”，获得对应裂纹缺陷尺寸的h₁数据。

(2)将每个n对应的h₁/h₁(n＝1)取对数，即计算ln(h₁/h₁(n＝1))。本实例所涉及的h₁及ln(h₁/h₁(n＝1))数据如下表2所示。

表2、内压作用下裂纹缺陷尺寸的不同n值对应的h₁值

及ln(h₁/h₁(n＝1))值

R/t＝12.5	n＝1	n＝3	n＝5	n＝10
					h1	8.560	19.410	42.360	340.030
ln(h1/h1(n＝1))	0	0.819	1.600	3.682

(3)采用origin软件绘制ln(h₁/h₁(n＝1))随n变化的曲线。

(4)采用origin软件对(3)得到的曲线进行线性拟合，得到斜率B＝0.408(如图4所示)。

(5)根据公式φ＝exp(-B)计算得到管道的缺陷尺寸因子φ＝0.665。

四、利用origin软件建立失效评定曲线

(1)由标准拉伸试验得到材料真应力、真应变的数据，并将其输入origin等作图软件中的A、B两列，分别记为σ_ref*列和ε_ref*列。

(2)添加C列，记为L_r*列，作为横坐标(即X轴方向)，根据下式2设置L_r*列值。

(3)添加D列，记为K_r列，作为纵坐标(即Y轴方向)，根据下式3设置K_r列值。

式2： $L_r^{*}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_y}$

式3： $K_r={[\frac{L_r^{*2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{2E{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}+\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}]}^{-0.5}$

式中：

E为杨氏模量；

σ_ref*为参考应力；

ε_ref*为参考应变；

L_r*为失效评定曲线横坐标，表示内压载荷与极限内压载荷的比值；

K_r列为失效评定曲线纵坐标，表示弹性分量J_e与J积分比值的平方根。

(4)选中L_r*列与K_r列绘制失效评定曲线，如图5所示。

五、确定失效评定曲线的截断点

根据下式4得到失效评定曲线的截断点L_r ^max＝1.704。

式4： ${L_r}^{\max }=\frac{{\mathrm{\σ}}_f}{{\mathrm{\σ}}_y\mathrm{\φ}}$

六、确定塑性破坏程度参量L_r′

(1)将管道尺寸、缺陷尺寸及材料屈服强度σ_y输入计算机，根据下式5确定管道极限载荷p_L，得到p_L＝52.71Mpa。

式5： $p_L=\frac{2{\mathrm{\σ}}_{y}t}{R}(1-\frac{\mathrm{\θa}/t+2{\sin }^{-1}[a\sin \left(\mathrm{\θ}\right)/2t]}{\mathrm{\π}})$

(2)根据下式6计算得到L_r′＝0.242；

式6：L_r′＝p/(p_Lφ)

七、确定管道发生断裂失效程度的参量K_r′

(1)本实例中涉及的材料为20#钢，其断裂韧性K_mat由标准断裂韧性试验或裂纹张开位移试验结果转换得到。本实例中获得裂纹张开位移δ_c＝0.05mm，可转换得到断裂韧性K_mat＝1842N/mm^1.5。

(2)确定半椭圆形裂纹的应力强度因子K₁，根据API579附录C给出的应力强度因子解：

$K_1=G_0(p{R_o}^2/({R_o}^2-{R_i}^2))\sqrt{\frac{\mathrm{\πa}}{Q}}$

其中：可查得G₀＝1.241，

$Q=[1+1.464{\left(\frac{2a}{l}\right)}^{1.65}]$

可确定K₁＝153.95N/mm^1.5。此外，不同结构承压设备的裂纹的应力强度因子K₁在不同情况下的求解方式不同。

(3)根据下式7计算管道发生断裂失效程度，计算结果为K_r′＝0.084。

式7： $K_r^{\′}=\frac{K_1}{K_{\mathrm{mat}}}$

八、将上述得到的参量(L_r′，K_r′)作为状态点放在失效评定图以确定管道所处的状态是否安全。

结果如图5所示，评定点落入曲线包络的面积内，这说明管道虽然含有缺陷，但仍然处于安全状态，可继续使用。

本发明的安全评定方法和R6选择2均为工程失效评定图方法，由R6选择3的理论定义

推导简化获得，故方法的精度可由转换的J/J_e与准确的J/J_e对比判定，通常将有限元计算获得的J积分作为准确值。为了说明本发明较选择2有更高的精度，图6针对本发明的案例，绘制了本发明的安全评定方法、选择2FAD评定方法及有限元所对应的无量纲化参数J/J_e与L_r*之间的关系图，并予以比较。由图6可见由本发明的安全评定方法得到的结果与有限元计算的结果非常接近，而R6选择2评定方法得到的结果与有限元结果偏差较大。这说明本发明提供的安全评定方法较选择2FAD评定方法精度高。此外，由于选择1FAD评定方法精度低于选择2，故可推知本方法精度同样高于选择1。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S₁、采用无损检测来确定承压设备中裂纹类缺陷的位置、形状和尺寸，并对设备材料进行标准拉伸实验；

S₂、针对所述承压设备的确定缺陷尺寸，获取不同n值对应的h₁值，计算ln(h₁/h₁(n=1))，其中，n为材料硬化指数，h₁为全塑性解系数，h₁(n=1)为n=1时的h₁值，ln表示取底数为e的对数；

S₃、绘制ln(h₁/h₁(n=1))与n之间的关系曲线，并且将所述关系曲线拟合成线性关系，将斜率记为B，根据式1计算缺陷尺寸影响因子φ，

式1：φ=exp(-B)，

其中，exp表示以自然对数e为底指数的指数函数；

S₄、建立待评定承压设备材料的失效评定曲线，并计算截断点位置；

S₅、通过式2和式3分别确定承压设备发生塑性破坏的程度

和断裂失效的程度

将评定参数

作为评定点描绘到评定图中判断含裂纹类缺陷承压设备的安全状态，

式2： $L_r^{\′}=\frac{p}{p_L\mathrm{\φ}},$

式3： $K_r^{\′}=\frac{K_1}{K_{\mathrm{mat}}};$

其中，

表示设备发生塑性破坏的程度，表示设备发生断裂失效的程度，p为承压设备实际承受载荷，p_L为设备的极限载荷，K₁为应力强度因子，K_mat为材料的断裂韧性；

S₆、若该评定点落到曲线与截断点包围的面积内，则可判定所评定承压设备缺陷不会起裂，允许继续运行；若评定点落在失效评定曲线上方，则不能排除设备发生断裂的可能性，需要进一步的评定或维修；

其中，步骤S₄还包括以下步骤：

S₄₁、输入由所述标准拉伸试验得到的设备材料的真应力、真应变，作为origin作图软件中的A、B两列，分别记为σ_ref ^*列和ε_ref ^*列，其中，σ_ref ^*为参考应力，ε_ref ^*为参考应变；

S₄₂、添加C列，记为L_r ^*列，设L_r ^*列为横坐标，设置L_r ^*列值如式4，

式4： $L_r^{*}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_y};$

S₄₃、添加D列，记该列为K_r，设K_r列为纵坐标，设置K_r列值如式5，

式5： $K_r={[\frac{{L_r^{*}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{2\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}+\frac{{\mathrm{E\ϵ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}^{*}}]}^{-0.5};$

S₄₄、所述截断点位置根据式6进行计算，并将其绘制在评定图中，

式6： ${L_r}^{\max }=\frac{{\mathrm{\σ}}_f}{{\mathrm{\σ}}_y\mathrm{\φ}};$

式4-6中，E为杨氏模量，

为失效评定曲线横坐标，表示内压载荷与极限内压载荷的比值；K_r列为失效评定曲线纵坐标，表示弹性分量J_e与J积分比值的平方根；

表示截断点位置，σ_f为流变应力，所述σ_f取σ_y、σ_b的平均值；

其中，σ_y表示屈服强度，σ_b表示抗拉强度；

S₄₅、取L_r ^*列与K_r列绘制评定曲线。

2.如权利要求1所述的含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法，其特征在于，步骤S₁中所述的无损检测可采用超声检测、射线检测，所述裂纹类缺陷可为裂纹、未熔合缺陷，所述的尺寸包括缺陷的深度a和长度l，所述标准拉伸试验可获得设备材料在工作温度下的真应力应变曲线、屈服强度σ_y、抗拉强度σ_b及杨氏模量E。

3.如权利要求1或2所述的含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法，其特征在于，所述失效评定曲线的曲线图可采用origin软件、excel软件或手绘进行绘制。

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