承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

摘 要 承壓設(shè)備的合于使用評(píng)價(jià)作為安全狀況評(píng)估的重要手段，是承壓設(shè)備完整性管理的重要內(nèi)容?；谑Ｊ皆O(shè)計(jì)理念，分別從線彈性斷裂力學(xué)、COD設(shè)計(jì)曲線、失效評(píng)定曲線和J積分理論方面對(duì)承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)進(jìn)行歸納和總結(jié)，分析各個(gè)方法的評(píng)價(jià)特點(diǎn)以及主要針對(duì)的問題，并對(duì)承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。

關(guān)鍵詞 承壓設(shè)備 合于使用評(píng)價(jià) 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) TQ050.7" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0191?06

工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，壓力管道、容器、鍋爐、儲(chǔ)罐等的安全性不容忽視，定期的維護(hù)保養(yǎng)、檢驗(yàn)檢測(cè)作為保障其安全性的重要手段，對(duì)保障承壓設(shè)備正常運(yùn)行具有重要意義。

承壓設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝或使用的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生缺陷，最終導(dǎo)致設(shè)備失效。合于使用評(píng)價(jià)作為完整性管理的重要組成部分，貫穿設(shè)計(jì)、制造、施工及使用和維護(hù)整個(gè)過程，其核心是分析確定承壓設(shè)備在諸多危害性因素條件下的完整性狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出保障承壓設(shè)備安全運(yùn)行的措施。

合于使用評(píng)價(jià)是以斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和可靠性系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的工程分析方法[1，2]。20世紀(jì)80年代，承壓設(shè)備安全性分析及管理已經(jīng)在國外被提出，1988年，美國ASME和API共同發(fā)布了“ASME/API壓力容器和管道檢查規(guī)范”。20世紀(jì)90年代末，API發(fā)布“基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（Risk?Based Inspection，RBI）”，標(biāo)志著對(duì)在役承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法新模式探討的開端;此外，歐盟也積極開展具有歐洲特色的RBI+FFS標(biāo)準(zhǔn)[3～5]。國內(nèi)于20世紀(jì)80年代左右對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行壽命管理工作，在參考國外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，于1994年頒布剩余壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，為承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)進(jìn)一步發(fā)展做出鋪墊。目前，基于失效模式和失效機(jī)理的合于使用評(píng)價(jià)對(duì)承壓設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，通過大量的工程應(yīng)用和實(shí)踐研究，總結(jié)出承壓設(shè)備的失效原因主要有脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞、腐蝕、蠕變及失穩(wěn)等[6～10]。

筆者以承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)方法作為主要研究內(nèi)容，分類討論各評(píng)價(jià)方法的優(yōu)劣性和適用性，并展望了今后的研究方向。

1 基于失效模式設(shè)計(jì)理念的合于使用評(píng)價(jià)

承壓設(shè)備失效模式理念和基于失效模式的設(shè)計(jì)作為合于使用評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，在實(shí)際科學(xué)研究和工程應(yīng)用中起著重要的作用。在承壓設(shè)備使用過程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生各類缺陷，基于損傷和失效模式的合于使用評(píng)價(jià)，在保障客觀性的前提下，對(duì)承壓設(shè)備做出可靠的評(píng)估以保障其安全運(yùn)行[11]。

1969年，美國ASME委員會(huì)在研究中指出承壓設(shè)備的過度彈性變形、脆性斷裂等8種失效模式;2002年，歐盟EN13445指令最早將短期、長期、循環(huán)三大類失效模式引入分析設(shè)計(jì);2007年，ISO 16528?1中給出了目前比較公認(rèn)的壓力容器三大類13種失效模式;2017年，我國GB/T 34019—2017《超高壓容器》首次引入基于失效模式設(shè)計(jì)理念。

承壓設(shè)備服役運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，包含各種材料性能、力學(xué)載荷、環(huán)境變化及介質(zhì)特性等[12，13]?；谑гO(shè)計(jì)理念的合于使用評(píng)價(jià)，是考慮承壓設(shè)備潛在的失效模式和后果分析，對(duì)承壓設(shè)備當(dāng)前狀況的完整性評(píng)估，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。

承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)是以超標(biāo)缺陷、環(huán)境影響和材料劣化的安全評(píng)估為核心，建立結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)及其相應(yīng)的工程安全評(píng)定規(guī)程，其流程如圖1所示。

2 合于使用評(píng)價(jià)方法

2.1 基于線彈性斷裂力學(xué)的評(píng)定方法

斷裂作為材料的一種失效模式，其準(zhǔn)則在預(yù)測(cè)含裂紋材料的破壞及裂紋擴(kuò)展等方面具有重要意義。早在1913年，INGLIS C E用彈性體能量平衡的觀點(diǎn)，研究陶瓷等脆性材料中裂紋擴(kuò)展問題，提出脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則[14]。1957年，IRWIN G R提出應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度觀點(diǎn)和應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則，與Grwith能量準(zhǔn)則構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)的核心內(nèi)容[15]。后來，在學(xué)者們的共同努力下，基于彈性力學(xué)的方法以線彈性材料為物理模型，提出用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件，即線彈性斷裂力學(xué)[16]。

2.1.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子K準(zhǔn)則

在應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展的影響因素主要有應(yīng)力和裂紋尺寸，而應(yīng)力強(qiáng)度因子反映了裂紋尖端附近應(yīng)力強(qiáng)弱的程度[17]。含缺陷結(jié)構(gòu)受到外界載荷時(shí)，其應(yīng)力強(qiáng)度因子可作為低應(yīng)力脆斷發(fā)生與否的控制參數(shù)。根據(jù)構(gòu)件上施加載荷類型的不同，應(yīng)力強(qiáng)度因子分別有張開型、滑開型和撕開型。其中，實(shí)際工程應(yīng)用中以張開型為主，張開型也是低應(yīng)力脆性斷裂的主要原因，張開型斷裂判據(jù)可表達(dá)為：

其中，f為形狀修正系數(shù)（與裂紋尺寸a和幾何尺寸W相關(guān)）;K為材料的斷裂韌性;σ為裂紋頂端處名義應(yīng)力。

從式（1）可以看出，K僅由裂紋尺寸a和名義應(yīng)力σ確定，在均勻拉應(yīng)力的作用下，K隨外應(yīng)力的增大而增大，當(dāng)外應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，裂紋達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)，即使外力不再增加，裂紋也會(huì)迅速擴(kuò)展，直至斷裂。

2.1.2 應(yīng)變能釋放率G準(zhǔn)則

應(yīng)變能釋放率通常指含缺陷材料受到外界載荷導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)應(yīng)變能的改變量，即裂紋擴(kuò)展力，國外學(xué)者GRIFFITH首先提出能量平衡理論，即：

式中 A——裂紋處面積;

Q——總能量;

Γ——斷裂能;

Π——應(yīng)變能與外力功之和。

能量平衡理論方程是基于張開型裂紋擴(kuò)展，裂紋的擴(kuò)展形式沿其延長線。當(dāng)裂紋擴(kuò)展引起總勢(shì)能釋放的能量等于形成新裂紋所需總能量時(shí)，裂紋起裂，即最大能量釋放率G。PALANISWAMYK等于1972年提出了混合裂紋能量釋放脆斷準(zhǔn)則[18，19]，表達(dá)式為：

式中 E——彈性模量;

K——I型應(yīng)力強(qiáng)度因子;

K——II型應(yīng)力強(qiáng)度因子;

μ——材料泊松比;

θ——極坐標(biāo)下極角。

2.2 基于COD設(shè)計(jì)曲線的評(píng)定方法

COD設(shè)計(jì)曲線作為一種最基本的斷裂力學(xué)評(píng)定方法，由WELLS于20世紀(jì)60年代依據(jù)彈塑性力學(xué)理論基礎(chǔ)首先提出，隨后學(xué)者利用寬板拉伸實(shí)驗(yàn)確定含缺陷構(gòu)件裂紋尖端張開位移、缺陷尺寸及應(yīng)變值之間的關(guān)系，并由BURDEKIN等于20世紀(jì)70年代修正，表達(dá)式如下：

式中 a——裂紋長度的一半;

Φ——COD值;

δ——斷裂韌性COD值;

ε——構(gòu)件缺陷處的施加應(yīng)變;

ε——屈服應(yīng)變。

COD設(shè)計(jì)曲線評(píng)定準(zhǔn)則以英國BSI PD6493?80為代表，在當(dāng)時(shí)具有一定的先進(jìn)性，并在壓力容器和焊接結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用，其評(píng)定曲線如圖2所示。但由于COD設(shè)計(jì)曲線是以大量工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，理論支撐欠缺，因此是一種較為保守的評(píng)估方法。對(duì)于含缺陷結(jié)構(gòu)的評(píng)定，根據(jù)缺陷的應(yīng)力應(yīng)變可求得實(shí)際參數(shù)，從而利用COD設(shè)計(jì)評(píng)定曲線進(jìn)行安全性評(píng)估[20～22]。

2.3 基于失效評(píng)定曲線的評(píng)定方法

隨著斷裂力學(xué)研究的不斷深入，基于失效評(píng)定曲線的評(píng)定方法應(yīng)運(yùn)而生，主要對(duì)石油化工及核工業(yè)中承壓設(shè)備進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，從材料、運(yùn)行條件、損傷模式、無損檢測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變以及統(tǒng)計(jì)分析等方面對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行完整性評(píng)價(jià)，并將其納入ASME標(biāo)準(zhǔn)（API 579?1/ASME FFS?1），其安全評(píng)估包括對(duì)在役設(shè)備缺陷的評(píng)估和對(duì)材料退化引起損傷的評(píng)估[23]。

承壓設(shè)備的形式和失效模式多種多樣，由于含缺陷結(jié)構(gòu)的失效需服從線彈性強(qiáng)度因子理論和塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則，失效評(píng)定曲線也稱為雙判據(jù)評(píng)定法。其中薄壁結(jié)構(gòu)本體上的裂紋多為表面裂紋，采用Ramberg?Osgood應(yīng)力-應(yīng)變法則，經(jīng)典失效評(píng)定曲線方程簡化后如下[24]：

ε/ε=σ/σ+α（σ/σ）（6）

ε=σ/E

其中，n為冪硬化指數(shù);α為硬化系數(shù);ε為初始應(yīng)變;σ為應(yīng)力;σ為屈服應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)中裂紋的J積分可以表達(dá)為：

J=J（a，p）+J （a，p，n）（7）

其中，a為裂紋尺寸;a為裂紋長度;J（a，p）是

Irwin等效裂紋長度上的J積分;J 是J積分的塑性分量;p為載荷。

隨著斷裂力學(xué)評(píng)定技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同工況的失效評(píng)定曲線也在不斷完善;目前國際上諸多安全規(guī)范采用失效評(píng)定曲線的評(píng)估方法，如API RP579、R6、BS7910等。國內(nèi)學(xué)者對(duì)韌性材料傾斜裂紋、高壓容器應(yīng)變區(qū)等的失效評(píng)定曲線進(jìn)行相關(guān)研究，提出可靠性指標(biāo)線概念并對(duì)算法進(jìn)行推導(dǎo)，探討影響因素及作用[25]。

2.4 基于J積分理論的評(píng)定方法

含缺陷結(jié)構(gòu)J積分方法最早由美國電力研究協(xié)會(huì)EPRI提出，與傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析方法相比，J積分理論直接從材料斷裂機(jī)理出發(fā)，直接定義裂紋方向及尖端，可以描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度，更加符合裂紋擴(kuò)展的實(shí)際情況[26]。對(duì)于缺陷平面上的J積分可以表示為[27，28]：

式中 T——主應(yīng)力;

u——位移;

W——應(yīng)變能密度;

Γ——積分路徑。

對(duì)式（8）解析證明可知，J積分可描述裂紋尖端的應(yīng)變狀態(tài)且與積分路徑無關(guān);將平面上的二維J積分沿著裂紋擴(kuò)展方向逐點(diǎn)積分可得裂紋的三維積分，其表達(dá)式如下：

其中，I為二階單位張量（單位矩陣）;L為裂紋長度;q為矢量場(chǎng);dA=dsdΓ;λ（s）為裂紋在s點(diǎn)的長度;ω為應(yīng)變能密度;?u/?X為位移梯度，u為位移場(chǎng)，X為材料坐標(biāo)。

J積分的計(jì)算評(píng)定方法從結(jié)構(gòu)、載荷、裂紋尺寸、屈服強(qiáng)度方面分析對(duì)失效產(chǎn)生的影響，平面缺陷的失效評(píng)定曲線分析評(píng)定以J積分計(jì)算為基礎(chǔ)，是相對(duì)先進(jìn)和完善的分析方法。而對(duì)于塑性應(yīng)力場(chǎng)的求解，J積分方法求解復(fù)雜，借助有限元分析求解可得精確的J積分，因此精確的J積分并不適用于工程中含缺陷結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定[29]。實(shí)際工程應(yīng)用中常用工程估算的方法，簡化J積分求解，增強(qiáng)其適用性。

3 結(jié)束語

承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都在不斷完善和豐富。尤其是在含缺陷承壓設(shè)備的安全評(píng)定中，合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)已成為不可或缺的手段。通過合于使用評(píng)價(jià)方法，基于缺陷或損傷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含缺陷承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)安全可靠性的評(píng)價(jià)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，針對(duì)不同的環(huán)境工況，衍生出線彈性斷裂力學(xué)、COD設(shè)計(jì)曲線、失效評(píng)定曲線、J積分理論等合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)。

隨著模糊數(shù)學(xué)、概率斷裂力學(xué)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的不斷發(fā)展，有大量承壓設(shè)備安全評(píng)定新方法被提出，且評(píng)定方法在不同含缺陷結(jié)構(gòu)工況下的應(yīng)用也在不斷拓展，但仍有諸多不足之處，想要得到合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)在苛刻條件下的精準(zhǔn)應(yīng)用，還需要更多的專家和學(xué)者共同參與。比如含體積型缺陷的安全評(píng)定技術(shù)、三維J積分簡化算法以及苛刻工況下合于使用評(píng)定技術(shù)等問題。因此需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步探索和研究：

a. 合于使用評(píng)價(jià)方法由確定性向可靠性轉(zhuǎn)變，合于使用評(píng)價(jià)所需的材料、應(yīng)力、溫度、缺陷尺寸等都具有分散性，需要采用可靠性方法予以考慮，即基于概率斷裂力學(xué)的安全評(píng)定方法，目前國外主流標(biāo)準(zhǔn)采用基于可靠性的分安全系數(shù)法，是當(dāng)前的發(fā)展方向之一。國際上以英國R6為代表，其第4版增加了基于概率斷裂評(píng)定的方法。

b. 隨著新型化工能源裝置的快速發(fā)展，復(fù)雜、極端工況下材料及結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理、失效模式和安全評(píng)價(jià)方法仍不明確，需要進(jìn)一步研究建立評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，先進(jìn)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展有利于提高合于使用評(píng)價(jià)精度。高溫工況下的裂紋缺陷、材料斷裂韌性的檢測(cè)、材質(zhì)劣化及蠕變損傷、應(yīng)力應(yīng)變等檢測(cè)技術(shù)仍需提升，因此先進(jìn)無損及微損檢測(cè)技術(shù)對(duì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性具有重要意義。

c. 合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，其中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全評(píng)定系統(tǒng)對(duì)于高度非線性問題的運(yùn)用最為廣泛。國外TWI CrackWISE、Codeware INSPECTs等評(píng)價(jià)軟件已經(jīng)較為成熟，并得到較好的應(yīng)用，目前國內(nèi)雖有一些研究院所開發(fā)但成熟度不高，還需進(jìn)一步追趕和發(fā)展。未來合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)有望與數(shù)字工廠、數(shù)字孿生、智能運(yùn)維等技術(shù)深度融合，促進(jìn)承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控一體化技術(shù)和平臺(tái)的構(gòu)建。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ZERBST U，SCHODEL M，WEBSTER S，et al.Fitness?for?Service Fracture Assessment of Structures Containing Cracks[R].Britain：Elsevier Ltd.，2007.

[2] 張彥華，夏世琦，陶博浩.石油天然氣管道合于使用評(píng)定的工程方法[J].電焊機(jī)，2014，44（11）：1-6.

[3] 張杰，吳繼權(quán)，邱康勇.氧氣瓶爆炸事故原因分析[J].中國特種設(shè)備安全，2018，34（3）：71-74.

[4] BLANCO J M，VAZQUEZ L，PEO?A F.Investigation on a new methodology for thermal power plant assessment through live diagnosis monitoring of selected process parameters;application to a case study[J].Energy，2012，42（1）：170-180.

[5] 趙昆.電站鍋爐承壓部件失效模式與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[6] 曹香蕾.承壓類設(shè)備安全閥使用中常見故障及其排除方法[J].中國金屬通報(bào)，2019（7）：161-162.

[7] VALI?IFIGENIA N.Design of pressure equipment subject to fatigue[J].Revista De Chimie，2015，66（4）：547-551.

[8] BLETCHLY P J.Management methodology for pressure equipment [J].Alumina and Bauxite，2013（1）：808-816.

[9] 顏維龍，魏正祥，曹香蕾.承壓類設(shè)備內(nèi)部腐蝕的成因與防范策略[J].中國金屬通報(bào)，2019（7）：183-184.

[10] 于廣濤.基于重大危險(xiǎn)源的化工園區(qū)區(qū)域安全評(píng)價(jià)研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學(xué)，2017.

[11] 王友義.天然氣管道合于使用評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用[D].大慶：東北石油大學(xué)，2017.

[12] 劉碩.耐酸管環(huán)焊接頭失效與安全評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].焊管，2020，43（4）：1-7.

[13] 陳秋華，崔礦慶，盧進(jìn)，等.海底管道基于風(fēng)險(xiǎn)和可靠性理論的合于使用評(píng)價(jià)[J].油氣田地面工程，2018，37（2）：59-64.

[14] INGLIS C E.Stresses in a plate due to the presense of cracks and sharp corners[J].Transactions of the Institution of Naval Architects，1913，55：219-241.

[15] IRWIN G R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack transversing a plate[J].Journal of Appliedm Mechanics，1957，24（3）：361-364.

[16] 付強(qiáng).失效評(píng)定圖在船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[17] 王文龍.基于近場(chǎng)動(dòng)力學(xué)有限寬板應(yīng)力強(qiáng)度因子求解及損傷研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2022.

[18] PALANISWAMY K.Crack propagation under general inplane loading[D].Pasadena：California Institute of Technology，1972.

[19] 楊立云，王青成，王宇偉，等.材料線彈性斷裂力學(xué)的斷裂準(zhǔn)則研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2020，38（2）：59-68.

[20] 曲文卿，張鵬，張彥華.石油天然氣輸送管道的缺陷評(píng)定方法及應(yīng)用[J].焊管，2002，25（2）：1-6.

[21] 周小華.熔合線含裂紋焊接接頭斷裂性能及其工程安全評(píng)定方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2008.

[22] 鄭心偉.增壓鍋爐汽包疲勞壽命理論計(jì)算方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[23]American Petroleum Institute，American Society of Mechanical Engineers. Fitness?for?Service， Second Edition：API 579?1/ASME FFS?1[S].Washington D.C.：American Petroleum Institute，2007.

[24] 帥健，許葵.含裂紋管道的失效評(píng)定曲線的實(shí)例驗(yàn)證[J].機(jī)械強(qiáng)度，2003，25（3）：251-253.

[25] 陳沛，查小琴，高靈清.含缺陷壓力容器的安全評(píng)定方法[J].物理測(cè)試，2014，32（1）：55-60.

[26] 夏世林，磨季云.基于J積分的含裂紋加筋板在單軸拉伸載荷下的極限強(qiáng)度計(jì)算[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2021，43（7）：34-39.

[27] QING S C， YANG Z， LI X，et al.Nonlinear buckling of cylindrical steel silos with fabrication cracks[J].Powder Technology，2019，353：219-229.

[28]ELDEEN S S， GARBATOV Y， SOARES C G.Experimental compressive strength analyses of high tensilesteel thin?walled stiffened panels with a large lightening opening[J].Thin?Walled Structures，2017，113：61-68.

[29] 白永強(qiáng)，帥健，孫亮，等.含缺陷結(jié)構(gòu)J積分工程估算方法研究進(jìn)展[J].壓力容器，2006，23（2）：42-45.