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基于失效路徑理論的壓力容器裂紋缺陷安全評定

文檔作者：寧朝陽黎佳文檔來源：湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月27日
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第42卷第3期化工機(jī)械311
基于失效路徑理論的壓力容器裂紋
缺陷安全評定+
+寧朝陽”黎佳
(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)
摘要闡述了含裂紋缺陷壓力容器的安全評定方法，對相關(guān)失效路徑理論進(jìn)行了分析。以壓力容器
的穿透裂紋為例，通過理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)的方法，利用軟件實(shí)現(xiàn)了失效路徑的仿真，并且基于失效路
徑為含裂紋缺陷壓力容器安全裕度的標(biāo)定提供了新的方法。
關(guān)鍵詞壓力容器安全評定失效路徑仿真安全裕度
中圖分類號(hào)TQ053．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)0254-6094(2015)03-0311-03
壓力容器是與國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域密切相關(guān)的
一種通用設(shè)備，對于含裂紋缺陷壓力容器的安全
評估一直是專家研究的熱點(diǎn)¨J。近年來此項(xiàng)研
究取得了一定的進(jìn)展，并形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，譬如
國內(nèi)GB／T 19624．2004¨1，國外API 579．1／ASME
FFS．1 2007‘3|、DNV．RP．F101[4 3以及ANSI／AMSE
B31G¨o等。盡管取得了不少成果，但研究更多地
著眼于當(dāng)前工況下壓力容器是否能夠正常使
用M J，而無法反映隨著裂紋的擴(kuò)展，壓力容器的
使用是否安全可靠。利用常規(guī)方法得到的壓力容
器安全裕度，僅表征某一時(shí)刻下的瞬態(tài)安全裕度，
不能動(dòng)態(tài)體現(xiàn)安全裕度隨裂紋擴(kuò)展的變化情況。
基于此，筆者剖析壓力容器失效路徑相關(guān)理論，以
穿透裂紋為例進(jìn)行了理論推導(dǎo)與軟件仿真，并提
出了標(biāo)定壓力容器安全裕度的一種新方法。
1 壓力容器安全評定與失效路徑分析
1．1 壓力容器安全評定方法
壓力容器是具有潛在爆炸危險(xiǎn)的特殊承壓設(shè)
備，對其安全性開展正確評估的意義重大。在常
規(guī)的安全評定實(shí)施過程中，須依據(jù)現(xiàn)行國際國內(nèi)
標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況合理選擇與采用簡化評定、常
規(guī)評定和分析評定方法，并利用它們各自不同的
分安全系數(shù)特點(diǎn)，多方評估，互為補(bǔ)充，才能確保
安全評定的可靠性。其中，簡化評定以簡化失效
評定圖作為評估的輔助工具，如圖1所示，封閉圖
形由縱坐標(biāo)怕，(斷裂比)、橫坐標(biāo)Js，(載荷比)、水
平線、屆，=0．7和垂直線S，=0．8共同圍成。常規(guī)
評定法則采用K，=(1—0．14L；)·(0．3+
0．7e枷·65印)的失效評定曲線，如圖2所示。以上
兩者均根據(jù)評定點(diǎn)是否在安全區(qū)來確定該缺陷是
否可接受，即該容器是否安全。當(dāng)常規(guī)評定不通
過時(shí)，在可能的情況下可以選擇采用分析評定法
對缺陷進(jìn)行評定。
·湖南省科技廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014FJ3115)。
}}寧朝陽，男，1973年11月生，副教授。湖南省長沙市。410208。
載荷比S，
圖1 裂紋缺陷簡化評定的失效評定圖
0
9
8
7
6
5
4
3
2
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—m>羞旃薔
萬方數(shù)據(jù)
312 化工機(jī)械2015焦
Z
蘭
裂
蔞
載荷tEL
0
圖2 裂紋缺陷的通用失效評定圖
1．2失效路徑分析
為了進(jìn)一步提升壓力容器安全評估質(zhì)量，動(dòng)
態(tài)反映壓力容器安全性和安全裕度，筆者重點(diǎn)引
入失效路徑的分析研究方法。失效路徑表示裂紋
缺陷由安全狀態(tài)變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)的一種變化趨
勢，即將首次對裂紋缺陷安全性的評定點(diǎn)作為起
點(diǎn)，由一系列評定點(diǎn)擬合而成曲線段，如圖3所
示。圖3中的1、2、?、7點(diǎn)之所以離散，是因?yàn)樵u
定的時(shí)間相隔較大，如果在很小的時(shí)間d，內(nèi)取無
窮個(gè)評估點(diǎn)，得到的曲線則為接近完全連續(xù)的曲
線。
迎
蘭
承
蕞
載倚tLL，
圖3 失效路徑示意圖
2 穿透裂紋失效路徑仿真
2．1 理論依據(jù)
基于上述失效路徑理論，以壓力容器中穿透
裂紋為例，開展失效路徑仿真，穿透裂紋安全性評
定的K，計(jì)算公式為：
K，=G(K；+K；)／KP+P (1)
式中G——相鄰裂紋間彈塑性干涉效應(yīng)系數(shù)；
KK，}一一次評應(yīng)定力用材引料起斷的裂應(yīng)韌力度強(qiáng)；度因子；
Ks_二次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子；
P——塑性修正因子。
一次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子K?=~／竹Ⅱ·
(P。+P。)，其中n為規(guī)則化后的表征裂紋尺寸，
P。、P。分別為一次應(yīng)力分解得到的薄膜應(yīng)力分量
和彎曲應(yīng)力分量；二次應(yīng)力引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子
K；=~／盯o(Q。+Q。)，其中Q。、Q。分別為二次應(yīng)
力分解得到的薄膜應(yīng)力分量和彎曲應(yīng)力分量。
載荷比L，計(jì)算公式為：
小(生)生叢些絲竽生堅(jiān)業(yè)(2)
． 盯s Z
式中n——規(guī)則化后的表征裂紋尺寸；
曰——板厚；
P；『_一一次薄膜應(yīng)力；
尺『_一壓力容器內(nèi)徑；
盯_一壓力容器材料的屈服極限。
不難發(fā)現(xiàn)，K，、L，均與表征裂紋尺寸n有關(guān)，
令K，=一(n)，L，=五(o)，聯(lián)立方程組，即：
嚴(yán)2_(? (3)
【￡，=^(n)
2．2穿透裂紋失效路徑仿真
在實(shí)施壓力容器裂紋缺陷失效路徑仿真時(shí)，
令穿透裂紋擴(kuò)展，即8值不斷增大，可以得到不同
時(shí)期裂紋的多個(gè)評定點(diǎn)。通過仿真得到裂紋缺陷
由安全狀態(tài)變?yōu)椴话踩珷顟B(tài)的整個(gè)失效路徑如圖
4所示。
迎
羞
裂
鑒
0
圖4 穿透裂紋失效路徑仿真圖
3安全裕度標(biāo)定方法比較
目前，基于失效評定圖的安全裕度標(biāo)定的通常
做法是：在失效評定圖中，從原點(diǎn)做經(jīng)過評估點(diǎn)日
的一條射線與失效評定曲線FAC交于A點(diǎn)，如圖5
nD
所示，安全裕度計(jì)算式為等。此方法不可避免地L，A
存在一定的漏洞，當(dāng)表征裂紋尺寸口增加時(shí)，即圖
5中評定點(diǎn)曰位置發(fā)生變化時(shí)，可能出現(xiàn)下一時(shí)刻
萬方數(shù)據(jù)
第42卷第3期化工機(jī)械313
與前一時(shí)刻得到的安全裕度相等的情況，而實(shí)際上
裂紋的擴(kuò)展只會(huì)導(dǎo)致其安全裕度不斷減小。
過
董
鬣
蕃
載荷比L
圖5安全裕度的常規(guī)標(biāo)定法
基于以上裂紋失效路徑仿真分析，為了更準(zhǔn)
確標(biāo)定安全裕度，筆者提出采用基于裂紋失效路
徑的安全裕度標(biāo)定法。以圖4為例，定義安全裕
度為失效路徑曲線AC與曲線AB的長度比。這
種新的安全裕度標(biāo)定方法以動(dòng)態(tài)失效路徑為基
礎(chǔ)，避免了常規(guī)標(biāo)定的不足，在一定程度上更為合
理，也為安全裕度的標(biāo)定提供了新思路。
4 結(jié)束語
通過深入分析與研究，豐富并完善了裂紋失
效路徑理論。在分析穿透裂紋安全評定點(diǎn)計(jì)算方
法的基礎(chǔ)上，通過軟件計(jì)算，實(shí)施了失效路徑的仿
真。依托失效路徑的仿真曲線，給出了裂紋安全
裕度新的標(biāo)定方法，這種標(biāo)定法克服了常規(guī)標(biāo)定
法中存在的不足，為安全裕度和剩余壽命預(yù)測提
供了新的思路。
參考文獻(xiàn)
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容器的安全裕度與剩余壽命研究[J]．四川大學(xué)學(xué)
報(bào)(工程科學(xué)版)，2012，44(4)：204—208．
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總局，2004．
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糊評定[J]．四JII大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2007，39
(1)：166～170．
(收稿日期：2014-09旬5)
Safety Assessment of Pressure Vessel Cracks
Based on Failure Paths Theory
NING Zhao-yang，LI Jia
(Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，China)
Abstract The safety assessment methods for pressure vessels with cracks were expounded，and the failure
paths theory concerned were analyzed．Taking through-wall cracks of pressure vessels for example and basing
on both theoretical derivation and simulation experiment，simulating failure paths was implemented to present a
new method of calibrating safety margin of pressure vessels with cracks．
Key words pressure vessel，safety assessment，failure paths，simulation，safety margin
《化工機(jī)械》合訂本消息
2014～2011年《化工機(jī)械》合訂本每冊定價(jià)“0元。如需郵購，可直接匯款至蘭州西固合水北路3號(hào)
《化工機(jī)械》編輯部(收款人：張志遠(yuǎn))，郵編：730060。請?jiān)诟窖詸趦?nèi)說明書名及所需冊數(shù)。另外，尚有少量
1995年(50元)、1996年(50元)、1997年(50元)、1998年(60元)、1999年(60元)、2000年(60元)、2001年
(70元)、2002年(70元)、2003年(70元)、2004年(70元)、2005年(70元)、2006年(70元)、2007年(70
元)、2008年(70元)、2009年(70元)及2010年(90元)合訂本，如需購買，請按上述地址和匯款方法郵購。
地址：蘭州西固合水北路3號(hào)郵編：730060 電話(傳真)：0931—7311073

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