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含裂紋壓力容器的評定

發布時間:2018-09-10    

壓力容器是指盛裝氣體或液體,承載一定壓力的密閉設備。隨著科學技術的發展,壓力容器的應用領域更加的廣泛,在國民經濟支柱領域、戰略性新興產業、航空航天和國防軍工中發揮著不可替代的關鍵作用。壓力容器的設計方法主要有常規設計和分析設計兩種,兩種方法都是按照安全壽命的原則進行的,即在一定的使用周期內構件不會發生疲勞破壞。按照安全壽命原則,壓力容器在建造與使用過程中不允許缺陷的存在。然而壓力容器在製造使用過程中可能會出現缺陷甚至裂紋,斷裂力學的快速發展為這一類含裂紋壓力容器的評定提供了科學依據。在滿足工藝要求的前提下,采用科學合理的方法進行安全閥的計算與選型,不僅能夠保證壓力設備的正常安全的運行,而且能夠降低工程投資,方便日常操作。


壓力容器

1.含缺陷壓力容器評定標準

20世紀50年代,Irwin在研究脆性斷裂理論時提出了應力強度因子(K)的概念,並形成了斷裂韌性(KIC)的概念。在此基礎上,1971年美國第一次發布了以線彈性斷裂理論為基礎的壓力容器評定標準,ASME第Ⅷ卷附錄G“防止非延性破壞”。該標準的判據為K< KIC,在預測高強度材料製造的壓力容器的裂紋上限方麵具有很高的可靠度。由於該判據以線彈性斷裂理論為基礎,將結構看作不會發生屈服的純彈性體,因此不適用於可以發生大範圍屈服的材料。與此同時,彈塑性斷裂力學迅速發展,以彈塑性斷裂理論為基礎的評定方法擺脫了這一缺陷。
彈塑性斷裂理論的評定方法主要分為兩類,第一類是以COD理論為基礎的COD設計曲線法,第二類是以J積分理論為基礎的工程計算方法和通用失效評定圖技術(雙判據評定)。COD(Crack Opening Displacement)理論建立在D-M模型上,是指含有裂紋構件在受到載荷後裂紋擴展過程中,原裂紋尖端沿著垂直於裂紋方向產生的位移δ。1965年Wells提出了彈塑性力學的COD準則,該準則可以表述為:當裂紋張開位移δ達到裂紋開裂的臨界值δc時,裂紋將要開裂。臨界裂紋張開位移δc一般可以通過試驗的方法測得。第一部以COD設計曲線為判斷依據的標準是ⅡW-X-749-74,由國際焊接學會發布於1975年。除此之外,英國的PD6493-80、德國的DVS-240184等標準都是以COD理論為判斷依據。COD準則在焊接構件和壓力容器的斷裂安全評定中非常有效,但是由於裂紋張開位移本身並不是一個嚴謹的物理參數表征量,COD曲線也是在大量經驗的基礎上建立起來的,因此後期的發展也停滯不前。相比於COD理論,Rice在1968年提出的J積分理論則理論性更強,並且更易於計算。以彈塑性J積分理論為判據的斷裂評定方法逐漸取代了以COD理論為判據的評定方法。EPRI發布的NP-2431《含缺陷壓力容器及管道的完整性評定規程》是最權威、應用最廣泛的以J積分為判據的缺陷壓力容器評定標準。
由於種種曆史、管理和技術上的原因,我國在上世紀80年代生產的壓力容器普遍存在含有缺陷、質量差等問題。因此如何對這些含有缺陷的壓力容器進行科學的管理和安全評估至關重要。在此前提下,勞動部主持的“八五”國家重點科技攻關項目“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究(編號85-924-02)”和“九五”國家重點科技攻關專題“在役含缺陷壓力管道安全評定關鍵技術研究(編號96-918-02-03)”針對我國壓力容器和管道存在的一些問題進行了重點研究,取得了一係列的重要成果。在這些研究成果的基礎上,經過我國科研人員的不懈努力,總結和吸收了國外關於壓力容器和壓力管道的評定理論和經驗,我國於2004年發布新國標GB/T 19624《在用含缺陷壓力容器安全評定》。該標準失效評定采用的是三級評定的技術路線,與國外的三級評定技術想類似,又有國內的特色和創新之處,反映了我國國內成熟的科研實踐經驗和科研成果。

2.含缺陷壓力容器的強度評定

2.1 含缺陷壓力容器強度評定方法及流程
按照GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》的規定,含有缺陷的壓力容器的強度評定一般有兩種方法:簡化評定和常規評定。
a) 簡化評定是以COD設計曲線為理論基礎。COD準則在1965年由Wells提出,該準則可以表述為:當裂紋張開位移δ達到裂紋開裂的臨界值δc時,裂紋將要開裂。由於裂紋張開位移本身並不是一個嚴謹的物理參數表征量,COD曲線也是在大量經驗的基礎上建立起來,因此該類方法的發展陷入瓶頸,停滯不前。盡管如此,國內外幾十年的大量工程實踐證明,COD 設計曲線是一種安全保守的設計方法,並且在焊接構件和壓力容器的評定中非常有效。

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