CN110490493A - 一种基于分安全系数的含缺陷奥氏体不锈钢压力容器安全评定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分安全系数的含缺陷奥氏体不锈钢压力容器的安全评定方法，包括以下步骤：(1)确定该设备失效后果等级、(2)确定目标可靠度等级、(3)确定应力变异系数、(4)确定分安全系数、(5)含平面缺陷压力容器安全评定。

Description

一种基于分安全系数的含缺陷奥氏体不锈钢压力容器安全评 定方法
技术领域
本发明涉及一种对特种设备领域含缺陷压力容器的安全评定方法，具体涉及到一种基于分安全系数方法，对在役含平面型缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定的方法。
背景技术
随着压力容器设备大型化、高强度钢及焊接技术的广泛应用，以及极端载荷工况、环境介质等各种因素的影响，压力容器中缺陷发展为裂纹的趋势有增无减，并时常诱发安全事故。因此对这些缺陷，尤其是超标缺陷，进行必要的检测及安全评定，从而消除危险缺陷而保留安全缺陷，达到既安全又经济的目的具有重要意义。针对这一问题，我国制定了GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》(以下简称GB/T19624)标准。该标准为目前我国开展含缺陷压力容器的安全评定工作提供了重要技术基础及评价依据，并得到了广泛应用，创造了巨大价值。
GB/T19624中给出了基于双判据通用失效评定图技术的含裂纹及焊接缺陷等平面型缺陷压力容器常规评定方法，也是目前国际安全评价标准所采用的主流方法。该方法评定过程与缺陷、结构、材料、载荷类型均有关，最后评定结果以评定点落在安全区内外来判断其安全程度。然而这些评定参数在工程上往往具有不确定性，因此，如何对评定结果的可靠度程度进行评估，并保证评定的保守程度在合理范围之内，这就需要通过可靠性方法对这些不确定做出考虑及评价。
在安全评定过程中引入安全系数正是为了防止因缺陷检测精度、材料的性能偏差、外力的突增等因素所引起的不保守后果。GB/T19624中也给出了断裂韧度、应力、缺陷尺寸对应的确定性的安全系数。一方面，确定性的安全系数设定具有明确、简便、易操作等优点，但另一方面，该方法并没有充分考虑结构失效后果、失效概率及输入参数分布特征的影响，这也可能导致一些情况下评价结果与设备实际安全性之间有所差异。
分安全系数法是目前含缺陷压力容器安全评定中处理材料性能、应力水平及缺陷尺寸等参数不确定性及达到不同目标可靠度要求的常用方法。目前，英国标准BS7910及美国标准API579是使用分安全系数法的两部主要标准。但国外方法应用于我国压力容器还存在一定问题，包括：1)不适用于我国压力容器材料及评定方法；2)仅给出通用分安全系数，而实际上分安全系数应和材料种类相关；3)目标可靠度等级选取方法不明确。
针对以上问题，本发明开发了基于分安全系数方法，对在役含平面缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定的方法，从而用以更加准确的对我国含缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定。
发明内容
为更加准确的对我国含缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定，本发明开发了一种基于分安全系数方法的在役含平面缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定方法。应用本发明能够考虑评价参数不确定性，达到不同目标可靠度等级，实现对在役含平面缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行基于可靠性的安全评定。
本发明的基于分安全系数的含缺陷奥氏体不锈钢压力容器安全评定方法包括以下步骤：(1)确定该失效后果等级、(2)确定目标可靠度等级、(3)确定应力变异系数、(4)确定分安全系数、(5)含平面缺陷压力容器安全评定。具体如下：
(1)确定失效后果等级
计算评价设备的失效后果，并根据相关标准进行失效后果分级。
根据国家标准GB/T 26610.5-2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则第5部:分失效后果定量分析方法》计算后果面积，根据后果面积将失效后果分为A、B、C、D、E5个等级。
(2)确定目标可靠度等级
根据计算得到的设备失效后果等级，确定安全评定所要达到的目标可靠度等级。
对于失效后果等级为A或B级的设备，目标可靠度为β＝2.00；对于失效后果等级为C或D级的设备，目标可靠度为β＝3.09；对于失效后果等级为E的设备，目标可靠度为β＝4.75。
(3)确定应力变异系数
根据设备或结构含缺陷位置设计载荷特征确定应力的变异系数COVp。
当设备或结构含缺陷位置存在活动载荷的结构时，COVp取0.3；当设备或结构含缺陷位置不存在活动载荷但存在焊接残余应力时，COVp取0.2；当设备或结构含缺陷位置不存在活动载荷也不存在焊接残余应力时，COVp取0.1。
(4)确定分安全系数
根据所要达到的目标可靠度等级β以及应力变异系数COVp确定压力容器安全评定分安全系数，包括：应力分安全系数np、断裂韧度分安全系数nk、缺陷尺寸分安全系数na。
(5)含平面缺陷压力容器安全评定
根据GB/T19624中的常规安全评定方法对含平面缺陷的压力容器进行安全评定。
但常规安全评定方法中的应力、断裂韧度、缺陷尺寸的确定性安全系数，替换为本方法所选取的分安全系数。
本发明基于分安全系数方法对在役含平面型缺陷奥氏体不锈钢压力容器进行安全评定的方法，优点在于：
(A)本发明采用可靠性理论，并结合我国压力容器材料特点，给出了我国奥氏体不锈钢压力容器安全评定的分安全系数，使传统确定性评价方法转变为可靠性评价方法，为更加准确可靠的评价含缺陷压力容器安全性提供了基础。
(B)本发明给出了采用分安全系数方法进行安全评定过程中目标可靠度等级、应力变异系数的选取方法，克服了国外方法中这些参数选取方法不明的问题，使得本方法更具操作性和更加标准化。
(C)采用本发明方法，可以根据不同压力容器的后果及风险可接受水平，同时考虑材料性能、缺陷尺寸、应力水平的分散性，按照不同目标可靠度等级进行评价。相比确定性方法，可以保障高风险设备的高可靠性水平，防止严重事故的发生；也可以拓展低风险设备安全裕度，实现既经济又安全的目的。
(D)本发明所涉及的计算方法均为标准方法，有成熟的软件或程序进行相应计算，便于现场操作和快速分析，无技术门槛或条件限制
具体实施方式
下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并非限制本发明，本发明也并非仅局限于下属实施例的内容，下述所使用的试验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法。
步骤1确定失效后果等级
计算评价设备的失效后果，并根据相关标准进行失效后果分级。
根据国家标准GB/T 26610.5《承压设备系统基于风险的检验实施导则第5部分失效后果定量分析方法》进行失效后果面积的定量计算及分级。根据失效后果面积计算结果确定设备失效后果的等级。失效后果等级按后果面积分为A、B、C、D、E共5个等级。5个等级的划分如表1所示。
表1设备失效后果等级划分方法
失效后果等级 后果面积(CA)范围/m<sup>2</sup>
A CA≤9
B 9<CA≤93
C 93<CA≤279
D 279<CA≤929
E CA>929
步骤2确定目标可靠度等级
根据计算得到的设备失效后果等级，确定安全评定所要达到的目标可靠度等级。
对于失效后果为A或B级的设备，目标可靠度为β＝2.00(对应失效概率Pf＝2.3×10-2)；对于失效后果为C或D级的设备，目标可靠度为β＝3.09(对应失效概率Pf＝10-3)；对于失效后果为E的设备，目标可靠度为β＝4.75(对应失效概率Pf＝10-6)。
步骤3选取应力变异系数
根据设备设计载荷特征确定应力的变异系数COVp。
当仅存在可采用理论方法较准确计算应力的结构，如一般仅承受内压的压力容器筒体，COVp取0.1；当存在焊接残余应力的焊缝等结构时，如压力容器筒体环纵焊缝，COVp取0.2；当存在活动载荷例如风载地震载荷的结构，如塔器、球罐等压力容器，COVp取0.3。
步骤4选取分安全系数
根据所要达到的目标可靠度等级β以及应力变异系数COVp确定压力容器安全评定分安全系数，包括：应力分安全系数np、断裂韧度分安全系数nk、缺陷尺寸分安全系数na。奥氏体不锈钢压力容器安全评定分安全系数见表2。
表2奥氏体不锈钢压力容器安全评定分安全系数
步骤5含平面缺陷压力容器安全评定
根据GB/T19624中的常规安全评定方法对含平面缺陷的压力容器进行安全评定，但常规安全评定方法中的应力、断裂韧度、缺陷尺寸的确定性安全系数，替换为本方法所选取的分安全系数。
实施例1
某石化企业一台氮气过滤器，根据检测结果发现纵焊缝上存在有长300mm，高3mm的超标埋藏缺陷。
表3氮气过滤器主要技术参数表
主体材质 SA-240 304 工作介质 氮气
容器内径(mm) 560 容器高/长(mm) 3300
公称壁厚(mm) 6 腐蚀裕量(mm) 0
设计压力(MPa) 1.6MPa 操作压力(MPa) 1.6MPa
设计温度(℃) 80 操作温度(℃) 25
根据国家标准GB/T 26610.5《承压设备系统基于风险的检验实施导则第5部分失效后果定量分析方法》进行失效后果面积的定量计算及分级，失效后果面积计算结果为0m2，失效后果为A级。
根据计算得到的设备失效后果等级，对于A级的设备，目标可靠度选择为β＝2.00(对应失效概率Pf＝2.3×10-2)。
该设备设计上不考虑地震载荷和风载荷，缺陷位于纵焊缝，存在焊接残余应力，COVp取0.2。
根据所要达到的目标可靠度等级β＝2.00以及应力变异系数COVp＝0.2确定压力容器安全评定分安全系数，包括：应力分安全系数np＝1.35、断裂韧度分安全系数nk＝1.27、缺陷尺寸分安全系数na＝1.13。
根据GB/T19624-2004中的常规安全评定方法对含平面缺陷的压力容器进行安全评定。当使用常规安全评定方法中的应力、断裂韧度、缺陷尺寸的确定性安全系数时，该设备未能通过安全评定，即不可再继续使用；当使用本发明中计算得到的应力、断裂韧度、缺陷尺寸分安全系数代替上述确定性安全系数时，该设备通过了安全评定。后期该设备已实际安全运行3年，未发生失效事故，3年后检测未发现缺陷扩展。这说明本方法较当前标准方法更加准确可靠，拓展了当前方法的安全裕度。

Claims (6)

1.一种基于分安全系数的含缺陷奥氏体不锈钢压力容器的安全评定方法，包括以下步骤：(1)确定该设备失效后果等级、(2)确定目标可靠度等级、(3)确定应力变异系数、(4)确定分安全系数、(5)含平面缺陷压力容器安全评定。
2.如权利要求1所述的安全评定方法，其特征在于，所述步骤(1)为依据GB/T26610.5-2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则第5部分：失效后果定量分析方法》计算后果面积，根据后果面积将失效后果分为A、B、C、D、E5个等级，具体对应关系为：后果面积≤9m2时，失效后果为A级；9m2<后果面积≤93m2时，失效后果为B级；93m2<后果面积≤279m2时，失效后果为C级；279m2<后果面积≤929m2时，失效后果为D级；后果面积＞929m2时，失效后果为E级。
3.如权利要求1所述的安全评定方法，其特征在于，所述步骤(2)为根据失效后果等级确定安全评定所要达到的目标可靠度等级β，具体对应关系为：对于失效后果等级为A或B级的设备，目标可靠度为β＝2.00；对于失效后果等级为C或D级的设备，目标可靠度为β＝3.09；对于失效后果等级为E的设备，目标可靠度为β＝4.75。
4.如权利要求1所述的安全评定方法，其特征在于，所述步骤(3)为根据设备或结构含缺陷位置设计载荷特征确定应力的变异系数COVp：当设备或结构含缺陷位置存在活动载荷的结构时，COVp取0.3；当设备或结构含缺陷位置不存在活动载荷但存在焊接残余应力时，COVp取0.2；当设备或结构含缺陷位置不存在活动载荷也不存在焊接残余应力时，COVp取0.1。
5.如权利要求1所述的安全评定方法，其特征在于，所述步骤(4)为根据所要达到的目标可靠度等级β以及应力变异系数COVp确定压力容器安全评定分安全系数，包括：应力分安全系数np、断裂韧度分安全系数nk、缺陷尺寸分安全系数na，具体对应关系为：β＝2、COVp＝0.1时，np＝1.12、nk＝1.49、na＝1.16；β＝2、COVp＝0.2时，np＝1.35、nk＝1.27、na＝1.13；β＝2、COVp＝0.3时，np＝1.56、nk＝1.27、na＝1.11；β＝3.09、COVp＝0.1时，np＝1.14、nk＝2.37、na＝1.18；β＝3.09、COVp＝0.2时，np＝1.38、nk＝2.10、na＝1.17；β＝3.09、COVp＝0.3时，np＝1.71、nk＝2.10、na＝1.17；β＝4.75、COVp＝0.1时，np＝1.24、nk＝3.85、na＝1.25；β＝4.75、COVp＝0.2时，np＝1.65、nk＝3.07、na＝1.23；β＝4.75、COVp＝0.3时，np＝2.04、nk＝3.05、na＝1.22。
6.如权利要求1所述的安全评定方法，其特征在于，所述步骤(5)为依据GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的常规安全评定方法对含平面缺陷的压力容器进行安全评定，常规安全评定方法中的应力、断裂韧度和缺陷尺寸的确定性安全系数替换为权利要求5中所述的应力、断裂韧度和缺陷尺寸的分安全系数。
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