壓力容器的安全性評(píng)定技術(shù)

摘 要：壓力容器作為廣泛應(yīng)用于電力、航天、化工、石油、能源等諸多工業(yè)部門的一個(gè)重要部件，同樣也是一種極易發(fā)生重大事故的特殊設(shè)備。因此，壓力容器安全性評(píng)定技術(shù)對(duì)保障壓力容器的安全運(yùn)行至關(guān)重要，本文中，筆者將闡述目前常用的壓力容器安全評(píng)定技術(shù)：彈塑性斷裂力學(xué)評(píng)定方法、線彈性斷裂力學(xué)評(píng)定方法、失效評(píng)定圖法、疲勞斷裂評(píng)定方法，并簡(jiǎn)要探討壓力容器安全評(píng)定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：壓力容器 安全性評(píng)定 趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0084-01

壓力容器作為廣泛應(yīng)用于電力、航天、化工、石油、能源等諸多工業(yè)部門的一個(gè)重要部件，同樣也是一種極易發(fā)生重大事故的特殊設(shè)備。目前大部分壓力容器都采用焊接方法制造，但是由于運(yùn)行條件、焊接工藝以及焊接結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)，幾乎所有的壓力容器都不可避免的存在各種缺陷，如母材中的冶金夾層、未焊透、夾渣、焊縫中的氣孔等，因此，壓力容器的安全評(píng)定技術(shù)的研究和應(yīng)用歷來(lái)受到各部門和有關(guān)學(xué)者的重視。本文中，筆者將闡述目前常用的壓力容器安全評(píng)定技術(shù)，并探討壓力容器安全評(píng)定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 目前常用的壓力容器安全評(píng)定技術(shù)

（1）彈塑性斷裂力學(xué)評(píng)定方法。該方法以彈塑性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，主要有J積分理論法和裂紋尖端張開(kāi)位移法（COD法）。Rice于1968年提出J積分評(píng)定方法，該理論利用與路徑無(wú)關(guān)的，避開(kāi)裂紋尖端的能量積分J來(lái)描繪裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，判斷依據(jù)為，其中為材料相應(yīng)的臨界值，J積分評(píng)定方法不僅適用于大范圍全面屈服的情況，還適用于小屈服、線彈性的情況，并且較裂紋尖端張開(kāi)位移法更可靠；裂紋尖端張開(kāi)位移法作為20世紀(jì)70年代國(guó)際缺陷評(píng)定規(guī)范主要采用的評(píng)定方法，該方法是WELLS于1965年提出，認(rèn)為當(dāng)張開(kāi)裂紋位移達(dá)到時(shí)，壓力容器的裂紋就會(huì)開(kāi)裂，其中材料的臨界張開(kāi)位移以試驗(yàn)測(cè)量為準(zhǔn)，與試件的形狀、厚度無(wú)關(guān)，因此該方法在應(yīng)用中存在一定的局限性。

（2）線彈性斷裂力學(xué)評(píng)定方法。線彈性斷裂力學(xué)將結(jié)構(gòu)視為一個(gè)不發(fā)生屈服的完全彈性體，并假設(shè)結(jié)構(gòu)存在裂紋，描述無(wú)限板中心穿透裂紋模型得到裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，研究材料臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K之間的關(guān)系，因此也稱為K判據(jù)，其評(píng)定依據(jù)為≤。當(dāng)計(jì)算得到的裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K不滿足上述依據(jù)時(shí)，壓力容器就可能發(fā)生脆性斷裂，此時(shí)就需要采取積極的預(yù)防措施。該方法適用于脆性材料或者塑性區(qū)尺寸較小的金屬材料，當(dāng)金屬材料的塑性區(qū)很大，甚至端部塑性區(qū)尺寸已經(jīng)接近裂紋本身尺寸時(shí)，該方法已經(jīng)不再適用。

（3）失效評(píng)定圖法。英國(guó)中央電力局在《帶缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)定》中提出了失效評(píng)定圖技術(shù)，隨后美國(guó)電力研究院將材料應(yīng)變硬化的阻力曲線應(yīng)用于分析裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的全過(guò)程，并提出了嚴(yán)格的失效評(píng)定曲線，1986年，美國(guó)電力研究院以J積分為基礎(chǔ)，考慮材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)，拋棄通過(guò)立項(xiàng)塑性材料窄條區(qū)屈服模型得到失效評(píng)定圖的方法，建立了失效評(píng)定的三種選擇。目前世界各國(guó)的壓力容器缺陷標(biāo)準(zhǔn)都在向美國(guó)1986年板的缺陷評(píng)定規(guī)范靠攏。

（4）疲勞斷裂評(píng)定方法。疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段作為疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段，此階段也決定了含裂紋壓力容器的的疲勞壽命，目前疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的擴(kuò)展速度以及含裂紋構(gòu)件的疲勞速度都可以由Pairs公式精確計(jì)算。對(duì)于壓力容器接管處的高應(yīng)變區(qū)疲勞壽命較短，最大應(yīng)變接近屈服應(yīng)變，應(yīng)變幅度很大，此種應(yīng)變疲勞問(wèn)題可以應(yīng)用裂紋尖端張開(kāi)位移法理論或者J積分理論進(jìn)行研究。

2 壓力容器安全評(píng)定技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）疲勞方法的應(yīng)用。2000年P(guān)D 6539：1994與PD 6439：1991發(fā)表了合并后的BS 7910：1990修訂版，該標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)了近年來(lái)大量鋼材在海水和空氣總疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推出了新的疲勞裂紋擴(kuò)展率，得到了更為準(zhǔn)確的應(yīng)力比R的修正法和兩端Pairs關(guān)系式，并加入環(huán)境因素，給出了較高溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展，海水環(huán)境中無(wú)陰極保護(hù)和有陰極保護(hù)時(shí)的新的推薦方法。

（2）智能方法。因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)一般存在大量的不確定性，然而傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)研究都以確定性實(shí)踐為前提，據(jù)研究采用模糊的數(shù)學(xué)方法對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行模糊處理，可以很大程度上提高壓力容器的安全性評(píng)定的可靠性，隨著智能方法在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用，針對(duì)影響壓力容器的眾多因素建立模糊模型必然成為下一步發(fā)展趨勢(shì)。

（3）概率方法。美國(guó)一些研究人員于20世紀(jì)80年代將概率統(tǒng)計(jì)理論與確定性斷裂力學(xué)理論想結(jié)合產(chǎn)生了概率斷裂力學(xué)，并應(yīng)用于壓力容器的可靠性評(píng)估?；诟怕蕯嗔蚜W(xué)失效方法能夠降低經(jīng)驗(yàn)因素的影響，能夠客觀反映評(píng)定參數(shù)的不確定性，提高分析的安全性和準(zhǔn)確性。近年來(lái)，Rahman.M建立的對(duì)含縱向腐蝕缺陷壓力管道的結(jié)構(gòu)可靠性理論，目前國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家已將其應(yīng)用于指定壽命下高可靠性主動(dòng)設(shè)計(jì)中，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，但是我國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)還未將其納入其中。

（4）體積型缺陷評(píng)定圖方法。近年來(lái)，隨著斷裂力學(xué)評(píng)定技術(shù)的發(fā)展，特別是最新版的缺陷評(píng)定規(guī)范在有屈服平臺(tái)的非連續(xù)屈服材料和無(wú)屈服平臺(tái)的連續(xù)屈服材料中的應(yīng)用，推動(dòng)了失效評(píng)定技術(shù)向體積型缺陷評(píng)定圖技術(shù)方向發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，壓力容器的安全性評(píng)定方法種類很多，包括彈塑性斷裂力學(xué)評(píng)定方法、線彈性斷裂力學(xué)評(píng)定方法、失效評(píng)定圖法、疲勞斷裂評(píng)定方法等，而且隨著斷裂力學(xué)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、故障和缺陷在線診斷技術(shù)、傳感技術(shù)的發(fā)展，壓力容器安全評(píng)定技術(shù)也在不斷的革新，相信不久的將來(lái)，我國(guó)也會(huì)形成自己的壓力容器安全評(píng)定和監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)體系。

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