CN115983010A - 拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，包括以下步骤：收集待评价压力容器的数据和资料；根据已收集的数据和资料分析待评价压力容器出现的损伤机理；根据损伤发生后所可能导致的待评价压力容器失效是否与时间存在关联确定失效模式；根据待评价压力容器的损伤机理确定损伤演化规律和损伤表征参量；对待评价压力容器进行合于使用评价；根据合于使用评价结果提出合于使用评价安全建议；编制待评价压力容器的合于使用评价报告。本发明的评价方法更注重损伤机理的研究，通过失效模式的分类和流程化的评价步骤，对拟超出设计寿命使用的压力容器在剩余服役期内的安全性进行评估和预测，保障压力容器在服役期内的使用安全。
Description
技术领域
本发明属于压力容器检测技术领域，具体涉及一种拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法。
背景技术
压力容器是一种在工业生产中常见的特种设备，在使用过程中压力容器会不可避免的出现不同程度的损伤，此外由于压力容器具有承压特性，所以还会因使用过程中的载荷和充装介质变动可能产生新的损伤，因此对压力容器进行合于使用评价对于保障压力容器的安全性至关重要，特别是拟超出设计寿命使用的压力容器。
合于使用评价是指在对设备损伤进行定量检测的基础上，通过严格的断裂力学理论分析与计算，确定损伤是否损害结构的安全性，并基于损伤的动力学发展规律的研究，确定结构的安全服役寿命。对于拟超出设计寿命的压力容器，由于其工作年限长，设备发生缺陷或者损伤的几率高，会严重影响设备的使用安全，因此对拟超出设计寿命的压力容器进行全面的合于使用评价十分关键。
根据GB/T 35013-2018《承压设备合于使用评价》的规定，合于使用评价的内容包括诸多方面，比如均匀减薄评价、局部减薄评价、点蚀评价、氢致开裂评价、氢鼓包和应力导向氢致裂评价、凹陷和槽沟评价、错边、棱角和椭圆度评价、受火损伤评价和蠕变损伤评价等。由于评价的内容和类型繁多，每一项的评价方法又很复杂，所以增加了设备合于使用评价的工作难度，在实际的设备合于使用评价中，根据设备结构、工作环境和工作参数的不同，其损伤类型也会随之发生改变，因此合理的评价方法有助于提高压力容器合于使用评价的工作效率，保障拟超出设计寿命的压力容器在服役期间的安全性。
申请公布号为CN103278525A的发明专利公开了一种承压设备火灾后的安全评估方法，包括以下步骤：硬度与金相的现场检验；热模拟实验获得其硬度与金相组织的临界值；进行硬度、金相的现场检验测定值与硬度、金相组织的临界值和正常值比对，满足则进入下一步骤，不满足则直接判废；进行宏观检查和无损检测；判断超标缺陷；不含超标缺陷则直接进行强度校核；含超标缺陷则进行断裂与疲劳评定；强度校核、断裂与疲劳评定合格后再确定允许工作条件，可重新投入运行，强度校核、断裂与疲劳评定不合格则直接判废或维修。申请公布号为CN114611943A的发明专利公开了一种纤维缠绕气瓶风险评价方法，包括以下步骤：获取被评纤维缠绕气瓶的数据，编写全面检验报告；计算气瓶瓶体、固定装置、气瓶端塞、管路、腐蚀与老化的权重，建立纤维缠绕气瓶腐蚀与老化评分细则；根据全面检验报告，按照移动式承压设备动态风险评估模型和补充的腐蚀老化细则完成失效可能性和失效后果打分；根据打分结果，计算失效可能性概率；根据失效概率判断其失效可能性等级，根据失效后果得分判断其失效后果等级，综合分析纤维缠绕气瓶的风险矩阵，并确定其风险等级。上述两项技术方案仅对承压设备的某一项或几项进行合于使用评价，不能对规定的诸多项同时进行评价，所以上述两项技术方案的评价结果不准确，误差较大，且评价流程较复杂。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：收集待评价压力容器的数据和资料；
步骤二：根据已收集的数据和资料分析待评价压力容器出现的损伤机理；
步骤三：根据损伤发生后所导致的待评价压力容器失效是否与时间存在关联确定失效模式；
步骤四：根据待评价压力容器的损伤机理确定损伤演化规律和损伤表征参量；
步骤五：对待评价压力容器进行合于使用评价；
步骤六：根据合于使用评价结果提出合于使用评价安全建议；
步骤七：编制待评价压力容器的合于使用评价报告。
优选的是，步骤一中，收集的数据和资料包括待评价压力容器的操作温度、操作压力、操作介质、操作介质中有害杂质的组成和浓度、容器建造材料间的组合关系等。在实际操作过程中，可以通过定期检验中的宏观检测、无损检测、金相分析等多种手段予以发现压力容器可能发生的损伤。
在上述任一方案中优选的是，步骤二中，待评价压力容器出现的损伤机理包括减薄类损伤机理、环境辅助开裂类损伤机理、性能劣化类损伤机理等。
在上述任一方案中优选的是，步骤三中，不同的损伤机理导致待评价压力容器发生的失效模式包括长期失效模式、短期失效模式、循环失效模式、组合失效模式等。
长期失效模式是指由于非循环载荷作用导致的延时性失效，损伤机理需要经过相当长的发展阶段。长期失效模式主要包括：(1)蠕变断裂：在高温下长期受载，随着时间增加材料发生缓慢的塑性变形，塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄或者鼓胀变形，最终导致容器断裂。发生蠕变时，一般壁温达到或者超过其材料熔化温度的25-35％。蠕变断裂的变形量取决于材料的韧性，断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度极限。(2)蠕变变形：在机械接头处的超量变形或者导致不允许的载荷传递。(3)蠕变失稳：随着时间的推移逐渐积累的蠕变变形，在发展到一定程度会出现蠕变失稳。(4)冲蚀、腐蚀：材料在腐蚀介质作用下，导致壁厚减薄或者局部腐蚀造成的凹坑。(5)环境辅助开裂：如应力腐蚀开裂、氢致开裂等。
短期失效模式是指由于非循环载荷作用导致的即时性失效，当损伤机理一旦发生失效随即发生。短期失效模式主要包括：(1)脆性断裂：容器没有明显的塑性变形，且器壁中的应力值远远小于材料的强度极限甚至低于材料的屈服极限而发生的断裂。(2)韧性失效：包括过量局部应变引起的裂纹萌生或者韧性撕裂、整体塑性变形和塑性失稳。(3)超量变形引起的接头泄漏或者其他功能失效，如各种接口密封面失效或者胀接管口松动发生泄漏而引起的失效，泄漏介质可能引起燃烧、爆炸和中毒事故，并造成严重的环境污染。(4)弹性、塑性或者弹塑性失稳：在压应力作用下，容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器尺寸和材料弹性性质，但当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时，临界压力还与材料的强度有关。
循环失效模式是指由于循环载荷作用导致的延时性失效，根据载荷变动的周期性而确定。循环失效模式主要包括：(1)渐进塑性变形；(2)交替塑性；(3)弹性应变疲劳(中高周疲劳)或者弹塑性应变疲劳(低周疲劳)；(4)环境辅助疲劳，如应力腐蚀开裂、氢开裂等。
组合失效模式是由多种失效模式组合而成的失效模式，如长期失效模式+循环失效模式(腐蚀+疲劳、蠕变+疲劳、应力腐蚀+疲劳等)、短期失效模式+循环失效模式(脆断+疲劳等)、长期失效模式+短期失效模式(腐蚀+脆断、蠕变+脆断、应力腐蚀+脆断等)以及三种失效模式的组合(腐蚀+应力腐蚀+疲劳等)。
在上述任一方案中优选的是，步骤四中，待评价压力容器的损伤演化规律包括减薄速率的变化、裂纹扩展速率的变化、力学性能随时间的变化、蠕变寿命的变化、疲劳寿命的变化等。
在上述任一方案中优选的是，步骤四中，待评价压力容器的损伤表征参量包括壁厚、裂纹尺寸、抗拉强度和屈服强度、损伤系数、使用系数、断裂韧度等。
在上述任一方案中优选的是，步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为：步骤(1)：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤(2)：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间存在关联时，初步设置待评价压力容器的评价周期；
步骤(3)：确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量；
步骤(4)：对待评价压力容器上的评价点进行长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的评价周期；
步骤(5)：当调整后的待评价压力容器的评价周期大于0时，重复步骤(2)-(4)，直至评价通过；当调整后的待评价压力容器的评价周期小于0时，进入短期失效模式评价。
在上述任一方案中优选的是，步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为：步骤A：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤B：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间不存在关联时，确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量当前值；
步骤C：对待评价压力容器上的评价点进行短期失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的操作参数；
步骤D：当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。
在上述任一方案中优选的是，步骤(5)中，当调整后的待评价压力容器的评价周期小于0时，进入短期失效模式评价，即：当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。操作参数包括待评价压力容器的温度、压力等参数。
本发明中，待评价压力容器的损伤演化过程和失效模式与诸多因素有关，其中时间是最关键的因素。
本发明的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，基于损伤机理的分析，确定失效模式，根据对不同类别的损伤演化规律和损伤表征参数进行评价，对失效模式进行分类，按照提供的评价流程，可以准确、高效、科学的评估合于使用寿命。与传统的评价方法相比，本发明提出的评价方法更注重损伤机理的研究成果的应用，通过失效模式的分类和流程化的评价步骤，对拟超出设计寿命使用的压力容器在剩余服役期内的安全性进行全面的、科学的评估和预测，保障压力容器在服役期内的使用安全，且合于使用评价结果更符合实际情况。更为重要的是，本发明面向所有拟超出设计寿命使用的压力容器，是基于损伤演化规律的详细评价过程，且能够对规定的诸多失效模式项同时进行准确评价。
附图说明
图1为按照本发明拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。
如图1所示，按照本发明拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法的一优选实施例，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：收集待评价压力容器的数据和资料；
步骤二：根据已收集的数据和资料分析待评价压力容器出现的损伤机理；
步骤三：根据损伤发生后所导致的待评价压力容器失效是否与时间存在关联确定失效模式；
步骤四：根据待评价压力容器的损伤机理确定损伤演化规律和损伤表征参量；
步骤五：对待评价压力容器进行合于使用评价；
步骤六：根据合于使用评价结果提出合于使用评价安全建议；
步骤七：编制待评价压力容器的合于使用评价报告。
步骤一中，收集的数据和资料包括待评价压力容器的操作温度、操作压力、操作介质、操作介质中有害杂质的组成和浓度、容器建造材料间的组合关系等。本实施例中，可以通过定期检验中的宏观检测、微观检测、无损检测、金相分析等多种手段予以发现压力容器可能发生的损伤。
步骤二中，待评价压力容器出现的损伤机理包括减薄类损伤机理、环境辅助开裂类损伤机理、性能劣化类损伤机理等，具体如表1所示。
表1待评价压力容器合于使用评价的主要损伤机理
步骤三中，不同的损伤机理导致待评价压力容器发生的失效模式包括长期失效模式、短期失效模式、循环失效模式、组合失效模式等。
长期失效模式是指由于非循环载荷作用导致的延时性失效，损伤机理需要经过相当长的发展阶段。长期失效模式主要包括：(1)蠕变断裂：在高温下长期受载，随着时间增加材料发生缓慢的塑性变形，塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄或者鼓胀变形，最终导致容器断裂。发生蠕变时，一般壁温达到或者超过其材料熔化温度的25-35％。蠕变断裂的变形量取决于材料的韧性，断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度极限。(2)蠕变变形：在机械接头处的超量变形或者导致不允许的载荷传递。(3)蠕变失稳：随着时间的推移逐渐积累的蠕变变形，在发展到一定程度会出现蠕变失稳。(4)冲蚀、腐蚀：材料在腐蚀介质作用下，导致壁厚减薄或者局部腐蚀造成的凹坑。(5)环境辅助开裂：如应力腐蚀开裂、氢致开裂等。
短期失效模式是指由于非循环载荷作用导致的即时性失效，当损伤机理一旦发生失效随即发生。短期失效模式主要包括：(1)脆性断裂：容器没有明显的塑性变形，且器壁中的应力值远远小于材料的强度极限甚至低于材料的屈服极限而发生的断裂。(2)韧性失效：包括过量局部应变引起的裂纹萌生或者韧性撕裂、整体塑性变形和塑性失稳。(3)超量变形引起的接头泄漏或者其他功能失效，如各种接口密封面失效或者胀接管口松动发生泄漏而引起的失效，泄漏介质可能引起燃烧、爆炸和中毒事故，并造成严重的环境污染。(4)弹性、塑性或者弹塑性失稳：在压应力作用下，容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器尺寸和材料弹性性质，但当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时，临界压力还与材料的强度有关。
循环失效模式是指由于循环载荷作用导致的延时性失效，根据载荷变动的周期性而确定。循环失效模式主要包括：(1)渐进塑性变形；(2)交替塑性；(3)弹性应变疲劳(中高周疲劳)或者弹塑性应变疲劳(低周疲劳)；(4)环境辅助疲劳，如应力腐蚀开裂、氢开裂等。
组合失效模式是由多种失效模式组合而成的失效模式，如长期失效模式+循环失效模式(腐蚀+疲劳、蠕变+疲劳、应力腐蚀+疲劳等)、短期失效模式+循环失效模式(脆断+疲劳等)、长期失效模式+短期失效模式(腐蚀+脆断、蠕变+脆断、应力腐蚀+脆断等)以及三种失效模式的组合(腐蚀+应力腐蚀+疲劳等)。
步骤四中，待评价压力容器的损伤演化规律包括减薄速率的变化、裂纹扩展速率的变化、力学性能随时间的变化、蠕变寿命的变化、疲劳寿命的变化等；待评价压力容器的损伤表征参量包括壁厚、裂纹尺寸、抗拉强度和屈服强度、损伤系数、使用系数、断裂韧度等。本实施例中，失效模式的损伤演化规律和损伤表征参量的确定方法如表2-5所示。
表2长期失效模式的损伤演化规律和损伤表征参量的确定
表3循环失效模式的损伤演化规律和损伤表征参量的确定
表4短期失效模式的损伤演化规律和损伤表征参量的确定
表5组合失效模式的损伤演化规律和损伤表征参量的确定
步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为：
步骤(1)：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤(2)：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间存在关联时，初步设置待评价压力容器的评价周期；
步骤(3)：确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量；
步骤(4)：对待评价压力容器上的评价点进行长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的评价周期；
步骤(5)：当调整后的待评价压力容器的评价周期大于0时，重复步骤(2)-(4)，直至评价通过；当调整后的待评价压力容器的评价周期小于0时，进入短期失效模式评价，即：当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。操作参数包括待评价压力容器的温度、压力等参数。
步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为：
步骤A：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤B：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间不存在关联时，确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量当前值；
步骤C：对待评价压力容器上的评价点进行短期失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的操作参数；
步骤D：当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。
本实施例的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，基于损伤机理的分析，确定失效模式，根据对不同类别的损伤演化规律和损伤表征参数进行评价，对失效模式进行分类，按照提供的评价流程，可以准确、高效、科学的评估合于使用寿命。与传统的评价方法相比，本实施例提出的评价方法更注重损伤机理的研究成果的应用，通过失效模式的分类和流程化的评价步骤，对拟超出设计寿命使用的压力容器在剩余服役期内的安全性进行全面的、科学的评估和预测，保障压力容器在服役期内的使用安全，且合于使用评价结果更符合实际情况。更为重要的是，本实施例面向所有拟超出设计寿命使用的压力容器，是基于损伤演化规律的详细评价过程，且能够对规定的诸多失效模式项同时进行准确评价。
本领域技术人员不难理解，本发明的拟超出设计寿命的压力容器合于使用的评价方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：收集待评价压力容器的数据和资料；
步骤二：根据已收集的数据和资料分析待评价压力容器出现的损伤机理；
步骤三：根据损伤发生后所导致的待评价压力容器失效是否与时间存在关联确定失效模式；
步骤四：根据待评价压力容器的损伤机理确定损伤演化规律和损伤表征参量；
步骤五：对待评价压力容器进行合于使用评价；
步骤六：根据合于使用评价结果提出合于使用评价安全建议；
步骤七：编制待评价压力容器的合于使用评价报告。
2.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤一中，收集的数据和资料包括待评价压力容器的操作温度、操作压力、操作介质、操作介质中有害杂质的组成和浓度、容器建造材料间的组合关系。
3.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤二中，待评价压力容器出现的损伤机理包括减薄类损伤机理、环境辅助开裂类损伤机理、性能劣化类损伤机理。
4.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤三中，不同的损伤机理导致待评价压力容器发生的失效模式包括长期失效模式、短期失效模式、循环失效模式、组合失效模式。
5.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤四中，待评价压力容器的损伤演化规律包括减薄速率的变化、裂纹扩展速率的变化、力学性能随时间的变化、蠕变寿命的变化、疲劳寿命的变化。
6.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤四中，待评价压力容器的损伤表征参量包括壁厚、裂纹尺寸、抗拉强度和屈服强度、损伤系数、使用系数、断裂韧度。
7.根据权利要求1所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为，
步骤(1)：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤(2)：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间存在关联时，初步设置待评价压力容器的评价周期；
步骤(3)：确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量；
步骤(4)：对待评价压力容器上的评价点进行长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的评价周期；
步骤(5)：当调整后的待评价压力容器的评价周期大于0时，重复步骤(2)-(4)，直至评价通过；当调整后的待评价压力容器的评价周期小于0时，进入短期失效模式评价。
8.根据权利要求7所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤五中，待评价压力容器合于使用评价的具体流程为，
步骤A：判断待评价压力容器的损伤演化过程是否与时间存在关联，若存在关联，则进入长期失效模式评价和/或循环失效模式评价，若不存在关联，则进入短期失效模式评价；
步骤B：当待评价压力容器的损伤演化过程与时间不存在关联时，确定待评价压力容器上评价点的损伤表征参量当前值；
步骤C：对待评价压力容器上的评价点进行短期失效模式评价，若评价通过，则提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束；若评价未通过，则调整待评价压力容器的操作参数；
步骤D：当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。
9.根据权利要求7所述的拟超出设计寿命使用的压力容器合于使用的评价方法，其特征在于：步骤(5)中，当调整后的待评价压力容器的评价周期小于0时，进入短期失效模式评价，即当待评价压力容器的操作参数可以调整时，调整操作参数直至通过短期失效模式评价；当待评价压力容器的操作参数不可以调整时，提出合于使用评价安全建议和编制合于使用评价报告，评价结束。
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2023
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