含缺陷壓力管道簡化因子評定方法的研究

李倩倩，張巨偉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

含缺陷壓力管道簡化因子評定方法的研究

李倩倩，張巨偉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

介紹了適用于含缺陷壓力管道簡化因子評定方法的研究含缺陷壓力管道的各簡化因子評定方法的來源、定義、適用范圍及評定程序，這些簡化因子包括Z因子、U因子、V因子、F因子、G因子，它們都將彈塑性斷裂失效轉(zhuǎn)化為用塑性極限載荷控制的簡單表格進(jìn)行評定。簡化因子法摒棄了復(fù)雜的斷裂力學(xué)分析，只需查表即可完成評定，具有很大的工程推廣價(jià)值。

含缺陷壓力管道；簡化因子；工程評定

壓力管道廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、電力等行業(yè)，是輸送各類介質(zhì)的特種承壓設(shè)備。在役壓力管道都不可避免的存在不同程度的缺陷，但不可能對所有超標(biāo)缺陷壓力管道都進(jìn)行更換或返修，所以，為了防止事故發(fā)生，必須及時(shí)對含缺陷壓力管道進(jìn)行安全評定。

目前國際上有很多含缺陷壓力管道的評定方法，特別是J積分的方法，這些方法大都是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，缺陷評定過程必須同時(shí)進(jìn)行塑性極限載荷評定和斷裂評定。但我國目前面臨的是面廣量大的壓力管道，大部分檢測和評定人員斷裂力學(xué)的知識還不夠普及和深入，要使更多的人能掌握先進(jìn)的評定方法，解決十分繁重的任務(wù)，更迫切需要建立先進(jìn)的、安全的、而又簡單的評定方法，以滿足工程實(shí)際的需要。因此，本文對目前研究工作者提出的多種無需斷裂力學(xué)術(shù)語的工程評定方法（簡化因子評定方法）進(jìn)行總結(jié)和研究，為實(shí)際生產(chǎn)中的簡化工程評定提供依據(jù)[1]。

1 含缺陷壓力管道失效模式及評定

壓力管道的載荷工況比較復(fù)雜，除承受工作介質(zhì)的壓力外，還承受著較大的彎曲載荷，管系熱膨脹還可能引起壓力管道軸向的拉伸和壓縮，有的管道還可能承受很大的扭矩。

因壓力管道使用材質(zhì)的不同，含缺陷壓力管道的母材和焊縫潛在的失效模式有3種，即脆性斷裂失效、彈塑性斷裂（韌性撕裂）失效及塑性極限載荷（塑性垮塌載荷）失效[2-3]。大量試驗(yàn)表明，管道脆性斷裂失效是不多的，一般不是塑性極限載荷控制就是韌性撕裂失穩(wěn)控制。與其對應(yīng)的有三種不同的裂紋缺陷失效評定方法為：脆性斷裂失效評定、彈塑性斷裂（韌性撕裂）失效評定及塑性極限載荷（塑性垮塌載荷）失效評定。

（1）脆性斷裂失效評定：一般采用應(yīng)力強(qiáng)度因子，即KI≤KIC,但在英國標(biāo)準(zhǔn)BSIPD6493-1991中[4],考慮了具體的安全系數(shù)后則采用KI≤0.6KIC的判據(jù)。

（2）塑性極限載荷評定：塑性極限載荷失效的含缺陷壓力管道，其失效評定準(zhǔn)則是控制外載荷不超過含缺陷壓力管道的塑性極限載荷。因此，塑性極限載荷評定的核心是：用Kaninen[5]等人提出的凈截面垮塌準(zhǔn)則（簡稱NSC準(zhǔn)則）公式計(jì)算塑性極限載荷。

（3）彈塑性斷裂失效評定：含缺陷壓力管道的彈塑性斷裂通常要經(jīng)過四個(gè)階段：裂紋的啟裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展和斷裂。通常應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)方法，如失效評定圖技術(shù)法[6-8]、J積分撕裂模量法[9]、裂紋驅(qū)動力圖法[10]等進(jìn)行安全評定，但這些方法都具有很強(qiáng)的專業(yè)性，評定過程較為復(fù)雜，一般工程人員難以掌握。因此，很多研究者提出了簡化的工程評定方法，即為下面要介紹的簡化因子，可以準(zhǔn)確又簡便的進(jìn)行壓力管道彈塑性斷裂評定。

2 韌性撕裂失穩(wěn)擴(kuò)展的簡化因子

目前，較為成熟的彈塑性斷裂工程簡化評定方法是應(yīng)力乘子法（或降載系數(shù)法）。含缺陷壓力管道彈塑性斷裂失效的工程簡化評定方法的核心，就是通過應(yīng)力乘子或降載系數(shù)等方法，將彈塑性斷裂失效評定轉(zhuǎn)化為塑性極限載荷失效評定。

應(yīng)力乘子=塑性極限載荷/斷裂載荷。當(dāng)應(yīng)力乘子≤1時(shí)，結(jié)構(gòu)為塑性極限載荷控制失效模式，只要控制結(jié)構(gòu)所受外載荷小于其塑性極限載荷，結(jié)構(gòu)即為安全；當(dāng)應(yīng)力乘子≥1時(shí)，結(jié)構(gòu)為斷裂控制失效模式，以載荷乘以應(yīng)力乘子作為評定載荷，即可用塑性極限載荷評定[11]。本文要詳細(xì)介紹的應(yīng)力乘子有Z因子、U因子、V因子、F因子、G因子。

2.1Z因子

（1）來源及定義

Z因子是ASME管道缺陷評定規(guī)范進(jìn)行彈塑性斷裂分析時(shí)，提出的基于極限載荷分析許可缺陷尺寸表的簡化因子。

ASME定義Z因子為：Z=塑性失穩(wěn)極限載荷/韌性撕裂失穩(wěn)擴(kuò)展載荷，故必有Z≥1.0，即 表示韌性撕裂降低了管道的承載能力的下降程度[12]。

（2）適用范圍

Z因子適用于核管道材料評定，不適用于彈塑性啟裂評定。文獻(xiàn)[13]通過對ASME規(guī)范中的Z因子進(jìn)行理論計(jì)算和驗(yàn)證，得出結(jié)論：在穿透裂紋管純彎曲受載條件時(shí)，Z因子具有內(nèi)在的安全裕度，是可用的，但在表面裂紋管拉伸與彎曲組合受載條件下，缺陷評定是否還保守以及保守程度如何，都有待進(jìn)一步研究。

(3)評定程序

①求應(yīng)力比，即外加載荷引起的應(yīng)力與設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的比值。

其中，m薄膜應(yīng)力；b彎曲應(yīng)力；t熱膨脹應(yīng)力。

②用應(yīng)力比乘以應(yīng)力修正因子。規(guī)范中給出了兩種非常簡單的Z因子表達(dá)式：

a.對鐵素體管道母材及焊縫的彈塑性斷裂評定時(shí)，若已知材料的斷裂韌度JIC、流變應(yīng)力σf和屈服強(qiáng)度σy時(shí)，可采用：

其中：C0、C′—與材料斷裂韌度JIC相關(guān)的系數(shù)（具體數(shù)值見文獻(xiàn)[11]中表1-1）；

A—徑厚比R/t的函數(shù)；

D—公稱直徑，式中單位為英制單位。

b.當(dāng)評定時(shí)不知道材料的有關(guān)參數(shù)時(shí)，用通用Z因子計(jì)算式：

③通過由極限載荷控制的塑性失效時(shí)允許缺陷尺寸表（見文獻(xiàn)[12]中表1），直接查出韌性撕裂失穩(wěn)擴(kuò)展失效的允許缺陷尺寸。

④若壓力管道的環(huán)向缺陷相對深度 a/t值小于允許缺陷尺寸，則管道安全；否則，管道不安全。

Asada采用失效評定圖技術(shù)，對STS42和STS49等管道母材和焊縫進(jìn)行彈塑性斷裂失效分析后，給出了與Z因子含義相同的G因子計(jì)算式。

2.2 U因子

（1）來源及定義

U因子的概念最初是由華東理工大學(xué)的徐宏在其1993年的博士學(xué)位論文中[14]提出的。徐宏認(rèn)為石油化工管道一旦泄露就發(fā)生事故，不能允許只漏不斷的臨界條件，所以通過U因子將管道的啟裂評定轉(zhuǎn)化為塑性極限載荷評定。但他只完成了20號鋼管道的U因子解，劉長軍[15]利用失效評定圖的原理，在九五攻關(guān)中完成了可適用于任意強(qiáng)度和斷裂韌度材料的U因子法。

U=塑性極限載荷/啟裂載荷。當(dāng)U＜1時(shí)，塑性極限載荷＜工程啟裂載荷，這時(shí)用塑性極限分析方法進(jìn)行評定；當(dāng)U＞1時(shí)，為斷裂控制，應(yīng)用斷裂力學(xué)評定。

（2）適用范圍

U因子評定方法適用于周向面型缺陷壓力管道評定，但只適用于扭矩載荷不大的情況。

（3）評定程序

圖1 失效評定圖Fig.1 Failure Assessment Diagram

其中，np為安全系數(shù)值，由評定者根據(jù)管道的重要性選取，但不得低于1.5，重要管道可取1.8。

2.3V因子

（1）來源及定義

V因子是劉長軍等人在R6通用失效評定曲線[17]的基礎(chǔ)上，采用與U因子類似的工程方法，提出的簡化因子評定方法。

（2）適用范圍

V因子可用于常用壓力管道軸向面型缺陷的評定，可同時(shí)完成啟裂和塑性破壞評定。

（3）評定程序

2.4F因子

（1）來源及定義

F因子是在Z因子的基礎(chǔ)上提出來的，Asada的研究表明[22]：隨著θ、Rm、Pm的增大，結(jié)構(gòu)的失效模式逐漸由塑性失效控制變成彈塑性斷裂控制；S.Kanno的研究表明[23]：Z因子忽略了裂紋角對裂紋啟裂和韌性失穩(wěn)擴(kuò)占的影響，對韌性失穩(wěn)擴(kuò)展偏保守，但用Z因子估算啟裂載荷則變得偏危險(xiǎn)。因此，Z因子不適用于彈塑性啟裂評定，提出了F因子。

（2）適用范圍

F因子適用于煉油化工廠輸送易燃、易爆、有毒介質(zhì)含缺陷壓力管道的彈塑性啟裂評定。

（3）評定程序

F因子的評定程序同Z因子大致相同，不同的是應(yīng)力比要乘以F因子。FAD評定圖中載荷增加線的斜率為：，文獻(xiàn)[24]中表1給出了Sc與F之間對應(yīng)的表格關(guān)系，由Sc的值查表即可得到F因子的值，其余評定步驟與Z因子相同。

3 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了工程中含缺陷壓力管道彈塑性斷裂評定時(shí)，可以采用的簡化因子評定方法，包括Z因子、U因子、V因子、F因子的來源定義、適用范圍及評定程序。這些簡化因子都是在對 R6方法進(jìn)行合理簡化的基礎(chǔ)上提出的，具有一定的精度，評定過程簡便可靠，非專業(yè)評定人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的簡化因子進(jìn)行安全評定，因此本文具有很大的實(shí)際意義和工程價(jià)值。

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Study on Simplified Factors – based Assessment Method for Pressure Piping Containing Defects

LI Qian-qian，ZHANG Ju-wei
(Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China）

Source, definition, applicable scope and assessment procedure of the simplified factors-based defect assessment method for pressure pipes containing defects were introduced. The simplified factors wereZfactor,Ufactor,Vfactor,Ffactor,Gfactor. The elastic-plastic fracture assessment was converted into plastic limit load assessment by the factors. The assessment can be accomplished through examination of tabulated criteria instead of fracture analysis, so the method has well popularizing value due to its simpleness and high accuracy.

Pressure piping containing defects; Simplified factors; Engineering assessment

TQ 051.3

A

1671-0460（2011）09-0978-04

2011-06-18

李倩倩（1987-），女，山西孝義人，2009年畢業(yè)于華北科技學(xué)院安全工程專業(yè)，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)在讀研究生；研究方向：結(jié)構(gòu)的疲勞、損傷、斷裂及完整性評定。E-mail：qianqian6.love@163.com。

張巨偉（1962-），男，教授，研究方向：石油化工設(shè)備的安全評價(jià)。E-mail：z6682201@126.com。