含裂纹压力容器的评定
发布时间：2018-09-10
压力容器是指盛装气体或液体，承载一定压力的密闭设备。随着科学技术的发展，压力容器的应用领域更加的广泛，在国民经济支柱领域、战略性新兴产业、航空航天和国防军工中发挥着不可替代的关键作用。压力容器的设计方法主要有常规设计和分析设计两种，两种方法都是按照安全寿命的原则进行的，即在一定的使用周期内构件不会发生疲劳破坏。按照安全寿命原则，压力容器在建造与使用过程中不允许缺陷的存在。然而压力容器在制造使用过程中可能会出现缺陷甚至裂纹，断裂力学的快速发展为这一类含裂纹压力容器的评定提供了科学依据。在满足工艺要求的前提下，采用科学合理的方法进行安全阀的计算与选型，不仅能够保证压力设备的正常安全的运行，而且能够降低工程投资，方便日常操作。
20世纪50年代，Irwin在研究脆性断裂理论时提出了应力强度因子(K)的概念，并形成了断裂韧性（KIC）的概念。在此基础上，1971年美国第一次发布了以线弹性断裂理论为基础的压力容器评定标准，ASME第Ⅷ卷附录G“防止非延性破坏”。该标准的判据为K< KIC，在预测高强度材料制造的压力容器的裂纹上限方面具有很高的可靠度。由于该判据以线弹性断裂理论为基础，将结构看作不会发生屈服的纯弹性体，因此不适用于可以发生大范围屈服的材料。与此同时，弹塑性断裂力学迅速发展，以弹塑性断裂理论为基础的评定方法摆脱了这一缺陷。
弹塑性断裂理论的评定方法主要分为两类，第一类是以COD理论为基础的COD设计曲线法，第二类是以J积分理论为基础的工程计算方法和通用失效评定图技术（双判据评定）。COD（Crack Opening Displacement）理论建立在D-M模型上，是指含有裂纹构件在受到载荷后裂纹扩展过程中，原裂纹尖端沿着垂直于裂纹方向产生的位移δ。1965年Wells提出了弹塑性力学的COD准则，该准则可以表述为：当裂纹张开位移δ达到裂纹开裂的临界值δc时，裂纹将要开裂。临界裂纹张开位移δc一般可以通过试验的方法测得。第一部以COD设计曲线为判断依据的标准是ⅡW-X-749-74，由国际焊接学会发布于1975年。除此之外，英国的PD6493-80、德国的DVS-240184等标准都是以COD理论为判断依据。COD准则在焊接构件和压力容器的断裂安全评定中非常有效，但是由于裂纹张开位移本身并不是一个严谨的物理参数表征量，COD曲线也是在大量经验的基础上建立起来的，因此后期的发展也停滞不前。相比于COD理论，Rice在1968年提出的J积分理论则理论性更强，并且更易于计算。以弹塑性J积分理论为判据的断裂评定方法逐渐取代了以COD理论为判据的评定方法。EPRI发布的NP-2431《含缺陷压力容器及管道的完整性评定规程》是最权威、应用最广泛的以J积分为判据的缺陷压力容器评定标准。
由于种种历史、管理和技术上的原因，我国在上世纪80年代生产的压力容器普遍存在含有缺陷、质量差等问题。因此如何对这些含有缺陷的压力容器进行科学的管理和安全评估至关重要。在此前提下，劳动部主持的“八五”国家重点科技攻关项目“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究（编号85-924-02）”和“九五”国家重点科技攻关专题“在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究（编号96-918-02-03）”针对我国压力容器和管道存在的一些问题进行了重点研究，取得了一系列的重要成果。在这些研究成果的基础上，经过我国科研人员的不懈努力，总结和吸收了国外关于压力容器和压力管道的评定理论和经验，我国于2004年发布新国标GB/T 19624《在用含缺陷压力容器安全评定》。该标准失效评定采用的是三级评定的技术路线，与国外的三级评定技术想类似，又有国内的特色和创新之处，反映了我国国内成熟的科研实践经验和科研成果。
2.含缺陷压力容器的强度评定
2.1 含缺陷压力容器强度评定方法及流程
按照GB/T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的规定，含有缺陷的压力容器的强度评定一般有两种方法：简化评定和常规评定。
a) 简化评定是以COD设计曲线为理论基础。COD准则在1965年由Wells提出，该准则可以表述为：当裂纹张开位移δ达到裂纹开裂的临界值δc时，裂纹将要开裂。由于裂纹张开位移本身并不是一个严谨的物理参数表征量，COD曲线也是在大量经验的基础上建立起来，因此该类方法的发展陷入瓶颈，停滞不前。尽管如此，国内外几十年的大量工程实践证明，COD 设计曲线是一种安全保守的设计方法，并且在焊接构件和压力容器的评定中非常有效。
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