CN104268383A - 一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，包括如下步骤：1.搜集数据；2.明确评估寿命；3.确定加载和温度；4.弹性应力分析；5.裂纹表征；6.初始裂纹泄漏和断裂评定；7.判断初始裂纹是否安全；8.判断是否免于蠕变分析；9.计算参考应力和应力强度因子；10.基于初始裂纹尺寸计算持久寿命；11.判断持久寿命是否足够；12.判断是否为稳态蠕变；13.计算稳态蠕变裂纹扩展；14.计算非稳态蠕变裂纹扩展；15.基于当前裂纹尺寸计算持久寿命；16.判断当前持久寿命是否足够；17.当前裂纹泄漏和断裂评定；18.细化评估；19.判断被评定对象是否安全。本发明方法可用于蠕变载荷作用下含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定。

Description

一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法

技术领域

本发明涉及一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，尤其涉及一种蠕变载荷作用下含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法。

背景技术

压力管道属承压类特种设备，广泛用于石化、电力、冶金、燃气等过程工业领域，用于输送有毒、易燃、易爆等危险化学品。这些压力管道通常采用焊接方法现场施焊，不可避免存在一些缺陷，这些缺陷长期使用后将有可能进一步扩展，一旦发生失效、泄漏或爆炸，往往并发火灾、中毒、环境污染、放射性污染等灾难性事故，将严重影响人民生命财产安全、国家经济安全运行和社会稳定。

高温环境下服役的压力管道除了具有通常的脆性断裂、塑性垮塌失效模式外，还存在与环境和时间相关的持久断裂、蠕变载荷作用引起的裂纹萌生与扩展等失效模式。蠕变裂纹扩展和持久断裂失效模式下的安全评定是高温压力管道合于使用评价、剩余寿命预测的重要环节，是确保高温压力管道长周期、安全、稳定运行的重要手段。

目前美国ASME、英国R5、法国A16、英国BS 7910等标准规范均针对高温压力容器与压力管道蠕变裂纹萌生扩展、持久断裂等失效模式建立了安全评定技术方法。其中，英国核电R5规范最先进和完善，该规范基于参考应力技术，分别针对载荷控制、位移控制、载荷和位移组合控制，给出了持久断裂寿命、蠕变裂纹形核时间、应力再分布时间、循环稳定时间的计算方法，并针对稳态或非稳态蠕变加载等工况条件，考虑母材和焊缝性能的不匹配以及焊接残余应力分布，给出了含缺陷高温压力管道的安全评定技术方法。该方法虽较为完善，但在实际工程应用时较为繁琐。

相比之下，我国高温结构完整性评估技术研究起步较晚。本世纪初以来，国内相关科研机构针对含裂纹类缺陷高温压力容器开展了蠕变断裂参量、蠕变断裂判据、与时间相关的失效评定图等方面研究，初步解决了含裂纹类缺陷高温压力容器的安全评定技术难题。但针对高温压力管道，国内目前相关研究主要集中于高温压力管道缺陷在线检测、应变在线监测、含局部减薄(凹坑)的极限载荷分析等方面，尚未针对裂纹类缺陷建立相应的安全评定技术方法。

高温压力管道的安全评定方法与高温压力容器相比存在较大不同，首先是高温压力管道所承受的载荷更为复杂，即使是直管段，所承受载荷也往往是弯矩、扭矩、内压载荷的组合；其次是管道系统热膨胀引起的温度载荷往往占有较大比重，安全评定时通常需要当做一次应力处理。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，适用于工作在蠕变温度范围内的(碳钢材料一般为400℃、CrMo钢材料一般为450℃、不锈钢一般为540℃)、压力≥0.1MPa的高温压力管道安全评定，包括如下步骤：

S1：获得被评定对象的详细资料与材料性能数据

搜集被评定压力管道的以下详细资料：

制造竣工图、强度计算书、制造验收记录、工作介质、工作温度、载荷状况、运行和故障记录、历次检修与维修报告；

搜集被评定压力管道的以下材料性能数据：

持久性能数据、蠕变变形数据、持久断裂延性数据、蠕变裂纹扩展速率数据、断裂韧性数据、拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；

S2：确定被评定对象的评估寿命

确定被评定对象迄今已服役寿命t₀、将来预期服役寿命t_S，则评估寿命为t₁＝t₀+t_S；

S3：确定加载条件和温度历史

根据操作工况确定评估寿命0～t₁期间内被评定对象的加载条件和温度历史；

S4：无裂纹体弹性应力分析和分类

假定被评定对象材质均匀，按第S3步的加载条件和温度历史进行无裂纹结构的应力分析，将应力划分为一次应力和二次应力；

一次应力为压力载荷、管道系统载荷产生的应力，二次应力为焊接残余应力、其他非焊接引起的残余应力；

S5：裂纹表征与规则化

通过无损检测和金相观察，确定裂纹的位置和类型，按照GB/T 19624《在用含缺陷压力容器安全评定》进行裂纹的表征和规则化；

S6：基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用初始裂纹尺寸a₀、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S7：判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则执行第S8步，判断是否免于蠕变失效分析；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S8：判断是否免于蠕变失效分析

判断被评定对象是否免于蠕变失效分析，若是，则被评定对象可以继续服役；否则，执行第S9步，计算一次载荷参考应力与应力强度因子；

免于蠕变失效分析的判断条件为：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{t}{t_m}\right]}_j<1---\left(1\right)$

式中j＝1,…,N表示不同的载荷条件，t_j为第j个加载条件下的服役时间，t_m,j为第j个加载条件下的允许时间；

S9：计算一次载荷参考应力与应力强度因子

一次载荷参考应力计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=\frac{P}{P_L({\mathrm{\&sigma;}}_y,a)}{\mathrm{\&sigma;}}_y$ 或 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=L_r{\mathrm{\&sigma;}}_y---\left(2\right)$

式中P为一次载荷，σ_y为屈服应力，P_L(σ_y,a)为与屈服应力σ_y和裂纹尺寸a相对应的结构塑性垮塌载荷，L_r为载荷比；

应力强度因子K_o(a)为一次应力强度因子K_p(a)和二次应力强度因子K_S(a)之和，按以下公式计算：

K_o(a)＝K_P(a)+K_S(a)   (3)

S10：基于初始裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于初始裂纹尺寸a₀计算持久断裂寿命t_CD0；

当一次载荷在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命t_CD按以下公式计算：

$t_{\mathrm{CD}}=t_r\left[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)\right]---\left(4\right)$

式中t_r[σ]为传统应力-断裂时间曲线上与应力σ相对应的持久断裂时间，为与当前裂纹尺寸a相对应的一次载荷参考应力；

当应力松弛在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命t_CD按以下公式计算：

$\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{CD}}}{\&Integral;}}\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}},{\mathrm{\&epsiv;}}_c)}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_f\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c\right)}\mathrm{dt}=1---\left(5\right)$

式中是与蠕变应变速率相关的蠕变延性；

S11：判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S

判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S，若是，则执行第S12步，判断结构是否处于稳态蠕变阶段；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S12：判断结构是否处于稳态蠕变阶段

判断结构是否处于稳态蠕变阶段，若是，则执行第S13步，计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；否则，执行第14步，计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；

结构处于稳态蠕变阶段的判断条件为：

t＞t_red   (6)

式中t为服役时间，t_red为应力再分布时间；

当只有一次载荷作用时，t_red按以下公式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),t_{\mathrm{red}}]=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)}{E}---\left(7\right)$

式中为单轴蠕变变形数据上与当前裂纹尺寸a相对应的、一次载荷参考应力作用下经过t时间之后累积的蠕变应变；

对于载荷和位移组合控制的加载条件，当K_o/K_P≤3、弹性随动因子Z≤3时，t_red计算公式为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p,t_{\mathrm{red}}]={\left(\frac{K_o}{K_P}\right)}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p}{E}---\left(8\right)$

S13：计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_1{\left(C^{*}\right)}^{q_1}---\left(9\right)$

$C^{*}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),{\mathrm{\&epsiv;}}_c]R^{\&prime;}---\left(10\right)$

$R^{\&prime;}={(K_P/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p)}^2---\left(11\right)$

式中A₁、q₁为稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，为当前参考应力和蠕变应变下的蠕变应变速率，ε_c为参考应力作用了时间t以后累积的蠕变应变，R'为特征长度；

S14：计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_2{\left[C\left(t\right)\right]}^{q_2}---\left(12\right)$

$C\left(t\right)=\frac{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1/q_1)}}{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1-q_1)}-1}{C}^{*}---\left(13\right)$

${\mathrm{\&epsiv;}}_e={\left[\frac{K_o}{K_p}\right]}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^P}{E}---\left(14\right)$

式中A₂、q₂为非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，ε_c为截止t时刻累积的蠕变应变，ε_e为参考应力下的弹性应变；

S15：基于当前裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于蠕变裂纹扩展后的当前尺寸，按照公式(4)或(5)计算持久断裂寿命t_CD；

S16：判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S

判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S，若是，则执行第17步，基于当前裂纹尺寸进行泄漏和断裂评定；否则，执行第18步，改进评估过程；

S17：基于当前裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用蠕变裂纹扩展后的当前尺寸、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S18：改进评估过程

改进评估过程为以下一种或几种情况的综合：

1)降低被评定对象的预期服役寿命t_S，并在到达此时间之前进行再次评估；

2)改变被评定对象未来服役工况，以降低损伤累积速率和蠕变裂纹扩展量；

3)按照被评定对象服役工况下的平均载荷或平均温度进行应力分析，以降低按照峰值载荷或峰值温度进行应力分析所导致的结果偏保守性；

4)采用实测的被评定对象材料性能数据，代替选择的通用数据；

S19：判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则被评定对象可继续服役；否则，被评定对象需维修、更换部件或退役。

我国目前尚无专门针对高温压力管道特定失效模式的安全评定技术规范，对于使用过程中发现的含裂纹类缺陷的高温压力管道，无法科学地对其安全状况进行判断，盲目选择继续服役往往会造成较大的安全隐患，盲目选择报废又会带来不必要的经济损失。本发明提出的一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法弥补了上述不足，适用于石化、电力、冶金、燃气等过程工业领域、工作在蠕变温度范围内的(碳钢材料一般为400℃、CrMo钢材料一般为450℃、不锈钢一般为540℃)、压力≥0.1MPa的高温工业管道的安全评定。含未熔合、未焊透等平面缺陷的高温压力管道的安全评定也可按照本发明的技术方案进行。

附图说明

图1为本发明中含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定流程示意图。

图2a为本发明实施中可参考的316型奥氏体不锈钢免于蠕变失效评定曲线。

图2b为本发明实施中可参考的304型奥氏体不锈钢免于蠕变失效评定曲线。

图3为本发明实施例中某高温压力管道初始裂纹尺寸的断裂评定结果。

图4为本发明实施例中某高温压力管道扩展后裂纹尺寸的断裂评定结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，步骤如下：

S1：获得被评定对象的详细资料与材料性能数据

搜集被评定压力管道的以下详细资料：

制造竣工图、强度计算书、制造验收记录、工作介质、工作温度、载荷状况、运行和故障记录、历次检修与维修报告；

搜集被评定压力管道的以下材料性能数据：

持久性能数据、蠕变变形数据、持久断裂延性数据、蠕变裂纹扩展速率数据、断裂韧性数据、拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；

S2：确定被评定对象的评估寿命

确定被评定对象迄今已服役寿命t₀、将来预期服役寿命t_S，则评估寿命为t₁＝t₀+t_S；

S3：确定加载条件和温度历史

根据操作工况确定评估寿命0～t₁期间内被评定对象的加载条件和温度历史；

S4：无裂纹体弹性应力分析和分类

假定被评定对象材质均匀，按第S3步的加载条件和温度历史进行无裂纹结构的应力分析，将应力划分为一次应力和二次应力；

应力分析中主要考虑压力载荷、管道系统载荷、焊接残余应力、其他非焊接引起的残余应力；

一次应力为压力载荷、管道系统载荷产生的应力，二次应力为焊接残余应力、其他非焊接引起的残余应力；

S5：裂纹表征与规则化

通过无损检测和金相观察，确定裂纹的位置和类型，按照GB/T 19624《在用含缺陷压力容器安全评定》进行裂纹的表征和规则化；

S6：基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用初始裂纹尺寸a₀、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S7：判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则执行第S8步，判断是否免于蠕变失效分析；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S8：判断是否免于蠕变失效分析

判断被评定对象是否免于蠕变失效分析，若是，则被评定对象可以继续服役；否则，执行第S9步，计算一次载荷参考应力与应力强度因子；

免于蠕变失效分析的判断条件为：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{t}{t_m}\right]}_j<1---\left(1\right)$

式中j＝1,…,N表示不同的载荷条件，t_j为第j个加载条件下的服役时间，t_m,j为第j个加载条件下的允许时间；

以316型和304型奥氏体不锈钢为例，最大允许加载时间t_m可参考附图2a和图2b确定；

对于其他材料，t_m的选取方法如下：当蠕变断裂延性<10％时，t_m为参考应力作用下蠕变应变达到ε_f/50时所对应的时间；当蠕变断裂延性>10％时，t_m为参考应力作用下蠕变应变累积达到0.2％时所对应的时间；

S9：计算一次载荷参考应力与应力强度因子

一次载荷参考应力计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=\frac{P}{P_L({\mathrm{\&sigma;}}_y,a)}{\mathrm{\&sigma;}}_y$ 或 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=L_r{\mathrm{\&sigma;}}_y---\left(2\right)$

式中P为一次载荷，σ_y为屈服应力，P_L(σ_y,a)为与屈服应力σ_y和裂纹尺寸a相对应的结构塑性垮塌载荷，L_r为载荷比；

应力强度因子K_o(a)为一次应力强度因子K_p(a)和二次应力强度因子K_S(a)之和，按以下公式计算：

K_o(a)＝K_P(a)+K_S(a)   (3)

S10：基于初始裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于初始裂纹尺寸a₀计算持久断裂寿命t_CD0；

当一次载荷在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命t_CD按以下公式计算：

$t_{\mathrm{CD}}=t_r\left[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)\right]---\left(4\right)$

式中t_r[σ]为传统应力-断裂时间曲线上与应力σ相对应的持久断裂时间，为与当前裂纹尺寸a相对应的一次载荷参考应力；

当应力松弛在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，t_CD按以下公式计算：

$\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{CD}}}{\&Integral;}}\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}},{\mathrm{\&epsiv;}}_c)}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_f\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c\right)}\mathrm{dt}=1---\left(5\right)$

式中是与蠕变应变速率相关的蠕变延性；

S11：判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S

判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S，若是，则执行第S12步，判断结构是否处于稳态蠕变阶段；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S12：判断结构是否处于稳态蠕变阶段

判断结构是否处于稳态蠕变阶段，若是，则执行第S13步，计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；否则，执行第14步，计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；

结构处于稳态蠕变阶段的判断条件为：

t＞t_red   (6)

式中t为服役时间，t_red为应力再分布时间；

当只有一次载荷作用时，t_red按以下公式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),t_{\mathrm{red}}]=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)}{E}---\left(7\right)$

式中为单轴蠕变变形数据上与当前裂纹尺寸a相对应的、一次载荷参考应力作用下经过t时间之后累积的蠕变应变；

对于载荷和位移组合控制的加载条件，当K_o/K_P≤3、弹性随动因子Z≤3时，t_red计算公式为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p,t_{\mathrm{red}}]={\left(\frac{K_o}{K_P}\right)}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p}{E}---\left(8\right)$

S13：计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_1{\left(C^{*}\right)}^{q_1}---\left(9\right)$

$C^{*}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),{\mathrm{\&epsiv;}}_c]R^{\&prime;}---\left(10\right)$

$R^{\&prime;}={(K_P/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p)}^2---\left(11\right)$

式中A₁、q₁为稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，可由稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展试验数据按照最小二乘法拟合得到，或者按照相同设备材料和服役环境选择文献数据；为当前参考应力和蠕变应变下的蠕变应变速率；ε_c为参考应力作用了时间t以后累积的蠕变应变，R'为特征长度；

S14：计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_2{\left[C\left(t\right)\right]}^{q_2}---\left(12\right)$

在大范围蠕变阶段之前的再分布时间内(t≤t_red)，裂纹尖端应力应变场用C(t)来表征。当t→t_red时，C(t)→C^*。利用此特点，可通过线性插值得到C(t)，即在初始弹性加载→稳态蠕变阶段之间进行插值，得到C(t)的一般表达式：

$C\left(t\right)=\frac{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1/q_1)}}{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1-q_1)}-1}{C}^{*}---\left(13\right)$

${\mathrm{\&epsiv;}}_e={\left[\frac{K_o}{K_p}\right]}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^P}{E}---\left(14\right)$

式中A₂、q₂为非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，可由非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展试验数据按照最小二乘法拟合得到，或者按照相同设备材料和服役环境选择文献数据；ε_c为截止t时刻累积的蠕变应变；ε_e为参考应力下的弹性应变；

S15：基于当前裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于蠕变裂纹扩展后的当前尺寸，按照公式(4)或(5)计算持久断裂寿命t_CD；

S16：判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S

判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S，若是，则执行第17步，基于当前裂纹尺寸进行泄漏和断裂评定；否则，执行第18步，改进评估过程；

S17：基于当前裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用蠕变裂纹扩展后的当前尺寸、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S18：改进评估过程

改进评估过程为以下一种或几种情况的综合：

1)降低被评定对象的预期服役寿命t_S，并在到达此时间之前进行再次评估；

2)改变被评定对象未来服役工况，以降低损伤累积速率和蠕变裂纹扩展量；

3)按照被评定对象服役工况下的平均载荷或平均温度进行应力分析，以降低按照峰值载荷或峰值温度进行应力分析所导致的结果偏保守性；

4)采用实测的被评定对象材料性能数据，代替选择的通用数据；

S19：判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则被评定对象可继续服役；否则，被评定对象需维修、更换部件或退役。

含未熔合、未焊透等平面缺陷的高温压力管道的安全评定也可按照本发明方案进行。

实施例

本实施例仅说明本发明实施的一种具体情况，并不限定本发明的其他实施情况。

以某高温压力管道为例，依据本发明的一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，完成其在蠕变载荷作用下的安全评定，具体步骤如下：

S1：获得被评定对象的详细资料与材料性能数据

该高温压力管道规格为Φ273×12mm，材质为316型奥氏体不锈钢，操作压力为2.7MPa，操作温度为550℃，腐蚀裕量为0mm，焊接接头系数为1.0，2004年投用。管道内表面母材上现发现一长度为20mm，深度为2mm的轴向裂纹。

316型奥氏体不锈钢550℃下的材料性能数据为：屈服强度117MPa、弹性模量155GPa、断裂韧性220MPa·m^0.5。

S2：确定被评定对象的评估寿命

该压力管道2004年投用，迄今已服役寿命t₀为10年，预期服役寿命t_S为10年，则评估寿命为t₁＝t₀+t_S＝20年。

S3：确定加载条件和温度历史

该压力管道一直在操作工况下稳定运行，则0～t₁期间内操作压力2.7MPa，操作温度550℃。

S4：无裂纹体弹性应力分析和分类

本实施例无裂纹体弹性应力分析主要考虑内压引起的应力及管道系统载荷。

内压引起的应力：对于本实施例的轴向裂纹，考虑的应为环向应力。一次薄膜应力按受内压薄壳计算，为29.4MPa；一次弯曲应力和二次应力近似取为0。

管道系统载荷：通过数值模拟计算，得到管道系统载荷引起的一次薄膜应力为5.3MPa；一次弯曲应力3.0MPa，二次应力为0。

因此，无裂纹体总的一次薄膜应力为29.4+5.3＝34.7MPa，一次弯曲应力为3.0MPa，二次应力为0。

S5：裂纹表征与规则化

裂纹沿管道轴向，按照GB/T 19624标准，表征和规则化后结果见表1。

表1 初始裂纹表征和规则化结果

位置	类型	裂纹深度(mm)	裂纹长度(mm)
				管道轴向	半椭圆内表面裂纹	2	20

S6：基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用初始裂纹尺寸a₀、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定。

泄漏评定：裂纹为表面裂纹，深度2mm<0.7×12＝8.4mm，不会发生泄漏。

断裂评定：按照GB/T 19624平面缺陷的常规评定方法进行评定，其中载荷比L_r计算公式如下：

$L_r=\frac{P}{P_L}---\left(15\right)$

式中P为一次载荷，P_L为塑性垮塌极限载荷，参考“Stress intensity factor andlimit load handbook,Issue 2,April 1998,British Energy Generation Ltd,pp AII.34”进行计算。

计算得到L_r＝0.260。

应力强度因子K_I参考“Stress intensity factor and limit load handbook,Issue 2,April 1998,British Energy Generation Ltd,pp AI.15～AI.17”进行计算。

计算得到K_I＝99.9MPa·m^0.5。

K_r＝99.9/220＝0.454。

将得到的评定点(L_r,K_r)绘制在常规评定失效评定图中，见附图3。

S7：判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受

初始裂纹评定点位于常规失效评定图的安全区内，则初始裂纹尺寸是安全的，执行第S8步。

S8：判断是否免于蠕变失效分析

所有加载条件下蠕变保持时间t的累积值为20年即175200小时，参考附图2a，最大允许时间t_m为0.5小时，则t/t_m>1，因此不能免于蠕变失效分析，执行第S9步。

S9：计算一次载荷参考应力与应力强度因子

由第S6步计算结果，载荷比L_r＝0.260，根据式(2)，参考应力由第S6步计算结果，一次应力强度因子K_P＝99.9MPa·m^0.5，二次应力强度因子K_S＝0。

S10：基于初始裂纹尺寸计算持久断裂寿命

根据式(4)，取 $t_{\mathrm{CD}0}={10}^{33.34}{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p{\left(a\right)}^{(-12.43)},$ 得到t_CD0＝7.77e+14小时。

S11：判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S

因为t_CD0＝7.77e+14小时>t₁＝t₀+t_S＝175200小时，执行第S12步。

S12：判断结构是否处于稳态蠕变阶段

由式(7)得t_red＝1200小时，t＝175200小时>t_red＝1200小时，执行第S13步。

S13：计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

蠕变裂纹扩展速率模型为 $\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\mathrm{da}/\mathrm{dt}=0.0083{\left(C^{*}\right)}^{0.88},$ 其中 $C^{*}={\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c{K}_P^2/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p,$ 取为定值8.232e-7，依次计算每隔一个月蠕变裂纹的扩展情况。一个月按31天即744小时计，得到1.25t_S＝12.5年后裂纹数据如表2所示。由于篇幅所限，表中只列出若干时间节点的计算结果。由表中计算结果可知，经12.5年扩展后，裂纹尺寸增加至2.9994mm。

表2 稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算结果

S14：计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

结构处于稳态蠕变阶段，此步略过。

S15：基于当前缺陷尺寸计算持久断裂寿命

参考“Stress intensity factor and limit load handbook,Issue 2,April 1998,BritishEnergy Generation Ltd,pp AII.34”，结合式(15)计算得到L_r＝0.261，根据式(2)得到参考应力根据式(4)得到tCD＝7.46e+14小时。

S16：判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S

因为t_CD＝7.46e+14小时>t₂＝t₀+1.25t_S＝197100小时，执行第S17步。

S17：基于当前裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用蠕变裂纹扩展后的当前尺寸、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定。

泄漏评定：裂纹为表面裂纹，深度2.9994mm<0.7×12＝8.4mm，不会发生泄漏。

断裂评定：按照GB/T 19624平面缺陷的常规评定方法进行评定。

参考“Stress intensity factor and limit load handbook,Issue 2,April 1998,BritishEnergy Generation Ltd,pp AII.34”，结合式(15)计算得到L_r＝0.261。

参考“Stress intensity factor and limit load handbook,Issue 2,April 1998,BritishEnergy Generation Ltd,pp AI.15～AI.17”，计算得到K_I＝156.7MPa·m^0.5。

K_r＝156.7/220＝0.712。

将得到的评定点(L_r,K_r)绘制在常规评定失效评定图中，见附图4。

S18：改进评估过程

本实施例不考虑改进评估过程，此步略过。

S19：判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受

当前裂纹评定点位于常规失效评定图安全区内，则当前裂纹尺寸是安全的。

根据上述评定结果，该含缺陷压力管道在允许操作条件，即操作压力2.7MPa、操作温度550℃下，可继续服役10年。

Claims (1)

1.一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，所述高温压力管道工作在蠕变温度范围内、压力≥0.1MPa，其特征在于包括如下步骤：

S1：获得被评定对象的详细资料与材料性能数据

搜集被评定压力管道的以下详细资料：

制造竣工图、强度计算书、制造验收记录、工作介质、工作温度、载荷状况、运行和故障记录、历次检修与维修报告；

搜集被评定压力管道的以下材料性能数据：

持久性能数据、蠕变变形数据、持久断裂延性数据、蠕变裂纹扩展速率数据、断裂韧性数据、拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；

S2：确定被评定对象的评估寿命

确定被评定对象迄今已服役寿命t₀、将来预期服役寿命t_S，则评估寿命为t₁＝t₀+t_S；

S3：确定加载条件和温度历史

根据操作工况确定评估寿命0～t₁期间内被评定对象的加载条件和温度历史；

S4：无裂纹体弹性应力分析和分类

假定被评定对象材质均匀，按第S3步的加载条件和温度历史进行无裂纹结构的应力分析，将应力划分为一次应力和二次应力；

一次应力为压力载荷、管道系统载荷产生的应力，二次应力为焊接残余应力、其他非焊接引起的残余应力；

S5：裂纹表征与规则化

通过无损检测和金相观察，确定裂纹的位置和类型，按照GB/T 19624《在用含缺陷压力容器安全评定》进行裂纹的表征和规则化；

S6：基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用初始裂纹尺寸a₀、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S7：判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则执行第S8步，判断是否免于蠕变失效分析；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S8：判断是否免于蠕变失效分析

判断被评定对象是否免于蠕变失效分析，若是，则被评定对象可以继续服役；否则，执行第S9步，计算一次载荷参考应力与应力强度因子；

免于蠕变失效分析的判断条件为：

$\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{t}{t_m}\right]}_j<1---\left(1\right)$

式中j＝1,…,N表示不同的载荷条件，t_j为第j个加载条件下的服役时间，t_m,j为第j个加载条件下的允许时间；

S9：计算一次载荷参考应力与应力强度因子

一次载荷参考应力计算公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=\frac{P}{P_L({\mathrm{\&sigma;}}_y,a)}{\mathrm{\&sigma;}}_y$ 或 ${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p=L_r{\mathrm{\&sigma;}}_y---\left(2\right)$

式中P为一次载荷，σ_y为屈服应力，P_L(σ_y,a)为与屈服应力σ_y和裂纹尺寸a相对应的结构塑性垮塌载荷，L_r为载荷比；

应力强度因子K_o(a)为一次应力强度因子K_p(a)和二次应力强度因子K_S(a)之和，按以下公式计算：

K_o(a)＝K_P(a)+K_S(a)   (3)

S10：基于初始裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于初始裂纹尺寸a₀计算持久断裂寿命t_CD0；

当一次载荷在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命t_CD按以下公式计算：

$t_{\mathrm{CD}}=t_r\left[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)\right]---\left(4\right)$

式中t_r[σ]为传统应力-断裂时间曲线上与应力σ相对应的持久断裂时间，为与当前裂纹尺寸a相对应的一次载荷参考应力；

当应力松弛在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命t_CD按以下公式计算：

$\underset{0}{\overset{t_{\mathrm{CD}}}{\&Integral;}}\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}},{\mathrm{\&epsiv;}}_c)}{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_f\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c\right)}\mathrm{dt}=1---\left(5\right)$

式中是与蠕变应变速率相关的蠕变延性；

S11：判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S

判断t_CD0是否大于t₁＝t₀+t_S，若是，则执行第S12步，判断结构是否处于稳态蠕变阶段；否则，执行第S18步，改进评估过程；

S12：判断结构是否处于稳态蠕变阶段

判断结构是否处于稳态蠕变阶段，若是，则执行第S13步，计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；否则，执行第14步，计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展；

结构处于稳态蠕变阶段的判断条件为：

t＞t_red   (6)

式中t为服役时间，t_red为应力再分布时间；

当只有一次载荷作用时，t_red按以下公式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),t_{\mathrm{red}}]=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right)}{E}---\left(7\right)$

式中为单轴蠕变变形数据上与当前裂纹尺寸a相对应的、一次载荷参考应力作用下经过t时间之后累积的蠕变应变；

对于载荷和位移组合控制的加载条件，当K_o/K_P≤3、弹性随动因子Z≤3时，t_red计算公式为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p,t_{\mathrm{red}}]={\left(\frac{K_o}{K_P}\right)}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p}{E}---\left(8\right)$

S13：计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_1{\left(C^{*}\right)}^{q_1}---\left(9\right)$

$C^{*}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}}_c[{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p\left(a\right),{\mathrm{\&epsiv;}}_c]R^{\&prime;}---\left(10\right)$

$R^{\&prime;}={(K_P/{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^p)}^2---\left(11\right)$

式中A₁、q₁为稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，为当前参考应力和蠕变应变下的蠕变应变速率，ε_c为参考应力作用了时间t以后累积的蠕变应变，R'为特征长度；

S14：计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展

非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：

$\stackrel{\&CenterDot;}{a}=\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dt}}=A_2{\left[C\left(t\right)\right]}^{q_2}---\left(12\right)$

$C\left(t\right)=\frac{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1/q_1)}}{{(1+{\mathrm{\&epsiv;}}_c/{\mathrm{\&epsiv;}}_e)}^{1/(1-q_1)}-1}{C}^{*}---\left(13\right)$

${\mathrm{\&epsiv;}}_e={\left[\frac{K_o}{K_p}\right]}^2\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ref}}^P}{E}---\left(14\right)$

式中A₂、q₂为非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，ε_c为截止t时刻累积的蠕变应变，ε_e为参考应力下的弹性应变；

S15：基于当前裂纹尺寸计算持久断裂寿命

基于蠕变裂纹扩展后的当前尺寸，按照公式(4)或(5)计算持久断裂寿命t_CD；

S16：判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S

判断t_CD是否大于t₂＝t₀+1.25t_S，若是，则执行第17步，基于当前裂纹尺寸进行泄漏和断裂评定；否则，执行第18步，改进评估过程；

S17：基于当前裂纹尺寸的泄漏和断裂评定

利用蠕变裂纹扩展后的当前尺寸、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；

S18：改进评估过程

改进评估过程为以下一种或几种情况的综合：

1)降低被评定对象的预期服役寿命t_S，并在到达此时间之前进行再次评估；

2)改变被评定对象未来服役工况，以降低损伤累积速率和蠕变裂纹扩展量；

3)按照被评定对象服役工况下的平均载荷或平均温度进行应力分析，以降低按照峰值载荷或峰值温度进行应力分析所导致的结果偏保守性；

4)采用实测的被评定对象材料性能数据，代替选择的通用数据；

S19：判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受

按照GB/T 19624判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则被评定对象可继续服役；否则，被评定对象需维修、更换部件或退役。