“壓力容器極限與安定性分析及體積型缺陷安全評估方法研究”概況

俞 躍 張 碩

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

“壓力容器極限與安定性分析及體積型缺陷安全評估方法研究”概況

俞 躍 張 碩

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

“壓力容器極限與安定性分析及體積型缺陷安全評估方法研究”是“八五”國家重點科技攻關課題“在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預防技術研究”的主要成果之一，本文以該成果的“國家科學技術獎勵推薦書”為基礎，對成果及其背景與應用情況做一概述。

壓力容器 安全評定 體積型缺陷 塑性極限分析 安定性分析

1 立項背景

1 )上世紀90年代初，我國有固定式壓力容器106萬臺，各類氣瓶4000多萬只，遍布于各行各業(yè)。由于歷史、技術和管理上的原因，這些設備中相當一部分質(zhì)量低劣、缺陷嚴重，加上長期以來治理技術落后，超期服役、帶“病”運行，爆炸事故和重大事故十分嚴重。據(jù)1987年的不完全統(tǒng)計，我國近10年間發(fā)生的鍋爐壓力容器爆炸事故4000起，重大事故約2萬起，傷亡7千人，直接與間接經(jīng)濟損失100億元，萬臺設備重大事故率是發(fā)達國家100倍。鑒于我國當時的經(jīng)濟實力，不可能對這些設備全部予以報廢更新或徹底修復。顯然，根本出路在于從基本國情出發(fā)，緊密結合工程生產(chǎn)實際，依靠科學技術，進行帶缺陷壓力容器安全評估技術研究，提出科學、經(jīng)濟、有效、適用的事故預防工程化技術和方法。

2 )凹坑、氣孔、夾渣等體積型缺陷的存在，不僅造成應力集中，而且可能由于疲勞載荷作用而萌生裂紋，威脅壓力容器的安全運行，甚至誘發(fā)產(chǎn)生壓力容器的破壞事故。由于缺少系統(tǒng)的理論分析和足夠的實驗研究結果作為依據(jù)，國內(nèi)外現(xiàn)有標準、規(guī)范對體積型缺陷的容限值規(guī)定總體來看偏于保守，在有些情況下卻顯得安全裕度不足。以凹坑為例，勞動部《在役壓力容器檢驗和缺陷處理若干問題的參考意見》和《在用壓力容器檢驗規(guī)程》規(guī)定，在役壓力容器表面缺陷均應打磨消除，打磨后產(chǎn)生的凹坑，側面斜度不大于1：4，對于腐蝕凹坑，最大深度不超過壁厚的1/5。事實上，不必要的補焊返修不僅造成大量人、財、物的浪費（尤其給不允許動用明火的現(xiàn)場工作帶來相當大的難度，甚至影響工期，造成更大損失），而且可能產(chǎn)生更為嚴重的焊接缺陷。鑒于國內(nèi)目前狀況，對上述規(guī)程、標準中有關體積型缺陷的判據(jù)、評估方法、處理方法等關鍵、難點技術作系統(tǒng)研究、深入探討，提出更科學、安全、可行的判據(jù)和方法，使之即保證在役壓力容器安全運行，又大大減少不必要的返修量，不但是安全生產(chǎn)的要求，也是經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的需要。

3 )結構極限與安定性分析是塑性分析的一個重要分支，與常規(guī)計算（彈性設計）相比，極限與安定性分析更能反映結構性態(tài)的本質(zhì)，進一步發(fā)揮材料的潛力。然而，由于理論分析上的困難，特別是理論研究與工程實際的脫節(jié)，國內(nèi)在此方面的研究尚不多見(特別是應用研究），遠遠滿足不了工程需要。即使在工業(yè)發(fā)達國家，也存在類似問題，因此，研究適用于一般承壓裝備、切實可行的塑性極限與安定性分析計算方法，使之直接應用于鍋爐壓力容器的設計、檢驗與安全評估，并采用理論分析與實驗驗證相結合的方法，對典型的鍋爐壓力容器體積型缺陷和結構進行系統(tǒng)的極限與安定分析，探求比較先進、經(jīng)濟、有效、適用的工程化評估方法，不但意義重大，而且十分迫切。

2 總體思路

緊密圍繞總體目標，采用系統(tǒng)工程的概念，以在役壓力容器體積型缺陷狀況的數(shù)據(jù)采集分析為先導，壓力容器極限與安定性分析一般算法研究為手段，體積型缺陷靜強度安全評估方法研究為核心，體積型缺陷疲勞強度安全評定新方法的探索為觸角，集中組織國內(nèi)優(yōu)勢力量，聯(lián)合攻關。

應用塑性極限和安定性理論，首先重點解決其工程實際應用中計算工作量巨大的難題，研究提出高效計算方法；然后針對帶缺陷壓力容器的彈性應力集中、失效摸式和塑性極限與安定性載荷進行全面、深入、系統(tǒng)和復雜的計算、分析與研究；在此基礎上通過科學化簡處理，給出實用的工程化評估方法。其研究過程十分復雜、嚴謹、量大，而取得的研究成果——工程評估方法簡單、實用、經(jīng)濟、安全。成果的研究和推廣始終由科研院所、大專院校、政府主管部門和企業(yè)緊密聯(lián)合進行，優(yōu)勢互補，成效顯著。

3 主要成果

本成果在壓力容器極限與安定性數(shù)值計算方法、含凹坑/氣孔/夾渣壓力容器缺陷表征、失效模式的建立、極限與安定性分析及安全評定方法研究等方面取得了突破性進展，研究成果成果具有開拓性、先進性、經(jīng)濟性和實用性等突出特點。經(jīng)權威專家鑒定，成果達到國際領先水平。

1 )提出了結構塑性極限與安定性上、下限分析的降維疊代法、無搜索直接疊代法和溫度參數(shù)法等三種數(shù)值計算方法。這些方法各有創(chuàng)新，其共同特點是運算速度快、收斂性與穩(wěn)定性好、精度可靠，大幅度減小了計算規(guī)模，突破了復雜結構極限與安定性分析計算量過大的限制，解題速度是現(xiàn)有計算方法的4～5倍，為一般承壓結構（裝備）的極限分析提供了通用、高效和可能的計算工具。

4 )通過含氣孔、夾渣壓力容器疲勞試驗研究，探索采用模糊集理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等現(xiàn)代工具進行處理的可能性，建立了適用于含焊縫缺陷容器疲勞評定的模糊疲勞評定圖，并在此基礎上進一步編制了相應的專家系統(tǒng)。

4 應用情況

應用極限與安定性理論對帶凹坑、氣孔、夾渣的壓力容器進行如此全面、系統(tǒng)、深入的分析計算和實驗測試研究，在國內(nèi)外尚屬首次。國內(nèi)外現(xiàn)有壓力容器安全評定規(guī)范均將凹坑、氣孔、夾渣等體積型缺陷當作投影面上的裂紋進行斷裂評定，脫離了體積型缺陷的塑性失穩(wěn)失效模式，不但評定結果過于保守（對允許存在缺陷的要求過于苛刻），而且計算過程十分復雜。本研究成果以及最終提出的凹坑、氣孔、夾渣缺陷塑性失穩(wěn)評定方法從根本上解決了這一難題，填補了空白，很好地解決了安全性與經(jīng)濟性的辯證統(tǒng)一關系。

1998～2000年期間，本成果在石油、化工、化肥和冶金等500多家企業(yè)的6000多臺設備中應用，“解放”了一大批超標缺陷，避免了大量不必要的設備報廢、返修和相應的停產(chǎn)損失，已取得證明的經(jīng)濟效益就達5億多元。

本成果全部納入GB/T 19624-2004 在用含缺陷壓力容器安全評定。

本成果獲得2001年度國家科學技術進步二獎。

獲獎單位：中國特種設備檢測研究院、清華大學工程力學系、合肥通用機械研究院、南京化工大學化工機械研究所、天津大學機械系

獲獎人員：陳 鋼、徐秉業(yè)、陳學東、沈士民、岑章志、楊鐵成、劉應華、石智豪、霍立興、謝鐵軍等

Instruction of “Investigation of Methods for Safety Assessment of Pressure Vessel with Volume Defects Based on Limit and Shakedown Analysis”

Yu Yue Zhang Shuo
(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029)

“Investigation of Methods for Safety Assessment of Pressure Vessel with Volume Defects Based on Limit and Shakedown Analysis” is a major achievement of an “Eighth Five-Year” national key technologies R&D program named “research of on-service boiler and pressure vessel safety assessment and explosion prevention technology”.This article summarizes the background and application of this achievement based on its“recommendation of state science and technology prizes”.

Pressure Vessel Safety Assessment Volume Defects Limit and Shakedown Analysis

X923

B

1673-257X(2015)06-01-02

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.001

俞躍（1988 ～ )，男，碩士，從事特種設備科研管理、無損檢測工作。

2015-05-15）