含缺陷压力容器的适用性评价技术及其进展.pdf

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1、综述 石 油 化 工 设 备 技 术 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 5 ) 。 4 1 。 P e t r o Che mi c a l Eq ui pme nt Te c hn ol o gy 含缺 陷压 力容器 的适用性评价技术及其进展 姜焕 勇 ， 董保 胜 ， 赵 新伟 ， 李鹤林 ， 孟 强 ( 1 西 安 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院 ， 陕西 西 安 7 1 0 0 6 5 ；2 ， 中国 石 油 天 然 气集 团公 司 管 材 研 究 所 ， 陕西 西 安 7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 介绍 了适用性评价的意 义和概念 ， 综述 了含缺 陷压 力容 器剩

2、余 强度 评价和剩余寿命预测 的研 究 现 状 ， 提 出 了含 缺 陷压 力 容 器适 用性 评 价 技 术今 后 的 研 究 重 点 和 发 展 方 向 。 关键词 ： 压力容 器； 适用性评 价 ； 失效评 定； 缺 陷； 剩余强度 ； 剩余寿命 中图分类 号 ： T E 9 6 9文献标识码 ： B文章编号 ： 1 0 0 6 8 8 0 5 ( 2 0 0 5 ) 0 5 0 0 4 1 一 O 6 1 前 言 核 能 、 电站 、 石油 化工 和化 学工 业 常需要 使用 大量 的压力 容器 ， 这些 设备 在 制造 、 安装 和使 用过 程 中不 可避 免地 存 在 着 各 种

3、缺 陷 ， 服 役 中往 往 发 生 断裂 、 疲 劳 、 腐 蚀 、 表面损 伤 等失 效 事故 ， 不但 造 成重 大 的经济 损 失 ， 而 且 常 导致 严 重 的人 员 伤 亡 事故 。特 别是 随着 焊接 技术 和冶 金技 术 的不断 发 展 ， 压力 容器正 在 向大 型化 、 复杂 化 、 高参 数 、 严 工 况 的方 向发展 ， 一 旦发 生恶性 事故 ， 其 后果 将不 堪 设 想 。 为 了保证 压力 容器 的安 全 可 靠 性 ， 工 程 上 有 两 类标准 ： 一 类是 建造标 准 或质 量控 制标 准 ， 主要 以工程 实践 经 验 为 基础 ， 用 于产 品质

4、量 控 制 。这 类 标准 主要 针对 新 建的压力 容 器 ； 另一 类是 以“ 适 用 性” 或 “ 合于 使 用” ( F i t n e s s f o r S e r v i c e F F S ) 为 原 则 的标 准 ， 是 以断裂 力学 ( 包 括概 率 断裂力 学 ) 、 弹塑性 力学 、 材料 科 学 、 可 靠性 工程 为 基础 的评 价 标 准 。这类 标 准 主要 针 对 正 在使 用 的 压力 容 器 。 本文述 及 的是后 一种 技术 。 2适 用性 评价 的概 念和 意义 适 用性 评价 是 对含有 缺 陷 的结 构 或装 备能 否 继续使 用 以及 如何 使

5、用 而进 行 的 定 量 工 程评 价 。 包括 定量 检测 结 构 中 的缺 陷 ， 依 据 严 格 的理论 分 析判 定缺 陷对 安全 可靠 性 的影响 ， 对缺 陷 的形成 、 扩展 及构 件 的 失效 过 程 、 后 果 等 做 出判 断口 。最 后可 按 4种情 况分 别处 理 ： ( 1 )对那 些不 会 给安全 生 产造 成 危 害 的缺 陷 将允许 存 在 ； ( 2 )结构 如 含有虽 不造 成 威胁 但 可 能会 进 一 步 扩展 的缺 陷 ， 需 要进 行寿命 预 测 ， 并允许 在监 控 下使 用 ； ( 3 )若 含有 缺 陷结构 在 降低 使 用 等级 后 能保 证

6、 安全 可靠 性要求 ， 则可考 虑 降级使 用 ； ( 4 )对于那 些 所含 缺陷 已对安 全 可靠 性 构 成 威胁的结构或构件 ， 必须立即采取措施 ， 或返修或 停 止使 用 。 适 用性 评 价 的意义 见 图 1 。 图 l 适 用 性 评 价 的 意 义 通 过适 用性 评 价 ， 不 仅 可 以大 大 减 小 事 故 发 生 率 ， 而且 可 以避 免 不 必 要 和无 计 划 的维 修 和 更 换 ， 从 而获得 巨大 的经 济效益 和社 会效 益 。 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 5 2 2 。 作者简 介： 姜焕 勇 ( 1 9 8 0一) ， 男 ， 山东 胶州

7、 人。2 0 0 3年毕 业 于西安 石油大学机械 工程学 院机械设计 制造 及其 自动化 专 业 ， 获学士学位 。现为西安石油大学油气储运专业 硕士研究 生 ， 从事压力容器和大型常压储罐安全评价技术的研 究。 维普资讯 http:/ 石油化工设备技术 3含 缺陷压 力 容器 适用性 评价 技 术的研 究 现状 含缺陷压力容器适用性评价包括剩余强度评 价和剩余寿命预测两方面 。剩余强度评价是在压 力 容器 缺 陷检测 的基 础上 ， 通过 严 格 的理论 分析 、 试 验测 试和 力学 计 算 ， 确 定 压 力 容 器 的最 大允 许 工 作压 力 ( MAOP ) 和 当前 工 作 压

8、 力下 的 临 界 缺 陷尺寸， 为压力容器的维修和更换 ， 以及升、 降压 操作提供依据。含缺陷压力容器剩余寿命预测是 在 研究 缺 陷的动 力学 发展 规律 和材 料性 能退 化规 律的基础上 ， 给出压力容器的剩余安全服役时间。 剩 余 寿命预 测结 果可 以为 压力 容器 检测 周期 的制 定提供 科 学依 据 。2 0世 纪 8 O年 代 以来 ， 国 际 上 发展形 成 了 多 个 适 用 性 评 价 标 准 或 规 范 ( 见 表 1 ) ， 其 中具 有 代 表 性 的有 ： E P RI NP一 2 4 3 1 、 B S I P D6 4 9 3 4 9 7 6、 CEGB

9、 R H R6 一Re v 3等 。 表 1适用性评 价标准 序 名称 提出单 位 提 出 号 时 间 AS ME锅 炉 及 美 国 机械 工程 师 1 1 9 7 7 压力容器规范第 卷附录 G 协会 ( AS ME ) AS ME 美 国 机械 工 程 师 2 1 9 7 7 缺陷显示分析规范第卷 附录 A 协会( AS ME ) I I WX一7 4 9 7 4 国际焊 接协会 3 1 9 7 5 按脆断观点建议的缺陷评 定方法 ( I I W) B S I P D 6 4 9 3 4 9 7 6 英国标 准协会 4 1 9 7 6 焊接结构中缺陷评定方法指南 ( B S I ) WES

10、 2 8 0 5 1 9 8 0 日本焊 接协会 5 1 9 8 O 按脆断评定的焊接缺陷验收标准 ( J WE S ) DW S 2 4 0 1 1 6 德国焊 接协会 1 9 8 2 焊接接头缺陷的断裂力学评定 CVD A一8 4 中国机械部 、 7 1 9 8 4 压力容器缺陷评定规范 化工部 SAPV 一 9 5 8 中国 1 9 9 5 含缺陷压力容器安全评定 C E GB R H R6 一R e v 3 英 国 中 央 电 力 局 9 1 9 8 8 含缺陷结构的完整性评定 ( C E GB ) E P R I NP一2 4 3 1含缺陷核压力 美国机械工程师 1 0 1 9 8

11、2 容器及管道的完整性评定规程 协会 ( AS ME ) SA F OU Re po r t 9 1 0 1 1 1 瑞典 1 9 8 9 含缺陷构件安全评定规程手册 AP I RP 5 7 9石油天然气工业 美国石油学会 1 2 2 O O 0 适用性评价标准推 荐做法 ( A P I ) S I NTAP 欧 洲 委 员 会 1 3 ( Eu r o p e a n 2 O O 0 欧洲工业结构完 整性 评定方 法 Co mm i s s i o n) 3 1 含 缺陷压 力容器 剩余 强度评 价 及 其进展 剩余 强度 评价 的 缺陷类 型包 括 五大类 J ： ( 1 )平 面型 缺

12、陷 ， 即裂 纹 型缺 陷 ， 包 括 焊缝 未 熔合 缺 陷 、 未 焊透 缺 陷 、 焊接 裂 纹 、 疲 劳 裂纹 、 应力 腐蚀 裂纹 以及 氢致 宏 观裂纹 等 ； ( 2 )体 积 型缺 陷 ， 如局 部 沟槽 状 腐蚀 缺 陷 、 片 状腐 蚀 缺 陷 、 局部 打磨 缺 陷等 ； ( 3 )弥 散损 伤 缺 陷 ， 包 括 点腐 蚀 缺 陷 、 表 面 氢 鼓 泡和 氢致 微裂 纹 等 ； ( 4 )几 何 缺 陷 ， 包 括 焊 缝 错 边 、 焊缝 噘 嘴 、 壁 厚不 均 匀等 缺陷 ； ( 5 )机 械 损 伤 缺 陷 ， 包 括 建 造 时 的 意外 损 伤 以及人

13、为破 坏 等原 因造 成 的 损 伤 ， 缺 陷 类 型包 括 凹坑 、 沟 槽 以及 凹坑 +沟槽 。 对 于平 面 型 ( 裂 纹 型 ) 缺 陷 评 定 ， 大 多 数适 用 性 评 价 标 准 采 用 了失 效 评 定 图 ( F a i l u r e As s e s s me n t D i a g r a m，F AD) 技 术 。失 效 评 定 图是 以 英 国 中央 电 力 局 ( C E GB) 的 “ 双 判 据 ” 评 定 法 ( 即 R 6 l_ 3 评 定 法 ) 为 基 础 ， 结 合 美 国通 用 电 气 公 司 ( G E) 得 到 的形 变塑 性理论 解

14、发 展起 来 的 ， 它 提 供 了一 种方 便 的评 价 结 构 由脆 断 至 塑性 失 稳 ( 崩 溃) 整个 范 围 的失 效 风 险 评 估 方 法 。失 效 评 定 图 的 y轴 ( K 轴 ) 代表 结构 对脆 性 断裂 的阻 力 ， 而 X 轴 ( L 轴 ) 代 表结 构 对 塑性 失 稳 的 阻 力 。失 效 评 价 曲线 ( F AC) 插 在 这 两 极 限失 效 模 式 之 间 。典 型失效 评定 如 图 2所示 ， 由失 效 评 价 曲线 和 L等 于 L 的竖线 构 成 。在 计 算评 价 点 的坐 标 时 ， 对 所 考虑 的 实际 几何 条 件 ， 需 要 恰

15、当 的应 力 强 度 因 子 和极 限 载荷 ( 塑性 失 稳 ) 解 ， 而且 需 要 知 道 材 料 的拉 伸 性 能 和 断裂 韧 性 。评 价 点 的 y 坐 标 由施 加 的裂 纹 驱动 力 ( 用 应 力 强 度 因子 计 算 ) K 除 以 材 料 的断 裂韧性 K 得 到 ， 即 K 一K K 。X 坐 标 由施 加 的载 荷 P 除 以造 成 塑性 失 稳 的载 荷 P。 ( 用 裂纹 几 何 的弹塑 性解计 算 ) 来 确定 ， 即 L 一P P 。 。当采 用 失 效 评 定 图对 结 构 进 行 适 用 性 评 价 时 ， 可将 评 价 点 描 于 F AD 图 上 。

16、每 一 评 价 点 的 位 置 是 施 加 载 荷 条 件 、 缺 陷尺 寸 、 材 料 性 能 的 函 数 。如果评 价点 位 于 由失效 评定 图 的坐标 轴 和失 效 评价 曲线 所构 成 的 区域 ， 认 为结 构安 全 。反之 ， 如 果评 价 点落 在 失效 评 价 曲线 外 侧 ， 则 结 构 可 能 不 安全 。采 用描 绘 不 同裂纹 尺寸 的一 系列 评价 点 也 可用 来确 定极 限 缺陷尺 寸 。 由这 些 评价点 构成 的 曲线 与失 效评 价 曲线交 截点 所对 应 的缺 陷尺 寸 维普资讯 http:/ 第 2 6卷第 5 期 姜焕勇等含缺陷压力容器的适用性评 价

17、技 术及其进展 即为结 构 的极 限缺陷 尺寸 。 图 2失 效 评 定 对 于失效 评 定 图技 术 ， 目前世 界 多数 国家 采 用 了 R 6第 三 版 的失 效 评 定 曲线 ( 或 称 国际 通 用 失效 评 定 曲线 ) K 一 ( 1 0 1 4 L； ) E o 3 +0 7 e x p ( 一0 6 5 L ) ， 如 AP I R P 5 7 9水平 2 、 B S 7 9 1 0水 平 2和 P D 6 4 9 3选择 3的通 用失 效评 价 曲线均 采 用 了这一 曲线 。我 国在 “ 八 五” 期 间对 我 国压 力容 器用 钢 的母 材 、 焊缝 、 各 种 试

18、板 、 容 器 、 焊 接 接 头 、 各种穿透裂纹和表面裂纹、 高应变区裂纹 、 应变时 效或 温度 影 响下 的严 格 的 积 分失 效评 定 曲 线 8 0 0多条 与 R 6通 用失 效评 定 曲线进 行 了对 比 ， 说 明在 绝大 多数 情况 下 R 6通 用 失 效评 定 曲线 是保 守 的 ， 虽 然在个 别 情 况 下 个 别 的严 格 失 效 评 定 曲 线会 比 R 6通 用 失 效 评 定 曲 线 要 低 一 点 。 由 于 8 0 0多 条 曲 线 的 下 包 络 方 程 K 一 ( 1 0 2 1 1 L ) E 0 1 +0 9 e x p ( 1 1 7 2 L

19、 ) 在 L 1的 范 围内 与通 用 失效评 定 曲线 的误 差 ( 以载 荷计 ) 均 不大 于 1 0 ， 因 此 我 国 的 S AP V一 9 5也 采 用 了 R6通用 失效 评定 图作 为 常规评 定 的技术 依 据L 6 。 2 0 0 0年 欧洲 委员 会 ( E u r o p e a n C o mmi s s i o n ) 发 表 了 S I NT AP ， 即 欧洲 工业 结构 完 整性评 定 方法 ， 这 是一 个未 来 欧洲统 一标 准 的草 稿 。它共 分 为 7 个 分析 级别 ， 其 中第 0级 ( d e f a u l t l e v e 1 ) 对

20、于 无屈 服平 台 的连 续屈 服 材料 的失 效评 定 曲线 为 ： K 一 ( 1 +0 5 L ； ) 0 3 +0 7 e x p ( 一0 6 L ) ， 2 0 0 1 年 颁布 的 R 6第 四版 选择 1的 失效 评 定 曲线 也 由 这 条 曲线代 替 了原 通 用失 效评 定 曲线 。 近些 年来 ， 我 国科 研 人 员 针对 失 效 评 定 图技 术 进行 了大 量 的研 究 ， 取 得 了可 喜 的成 果 。王 威 强 等_ 7 对 缺 口结构 F AD进 行 了研究 ， 较全 面地 研 究 了缺 口根 部 曲率半 径 、 缺 口长 度 、 缺 口端部椭 圆 率 以及

21、 试 样 类 型 、 材 料 等 对 失 效 评 定 图 的 影 响 。 提出了钝裂纹或缺 口应力强度因子修正方法 ， 通 过这一修正方法建立的失效评定图可有效地消除 缺 口因素对 失效 评定 图 的影 响 。金 志 江_ 8 推 导 了 压 力容 器 高 应 变 区 准 三 维 模 型 的分 段 弹 塑 性 积 分工 程估算 公 式 ， 由此 建 立 了高 应 变 区 失 效评 定 曲线 ， 并 与二 维 模 型及 R 6选 择 1曲线 做 了 比 较 。轩 福贞 等 针对高 温 含缺 陷结 构 的稳 态 蠕 变 情 况 ， 建 立 了一 个 与 时间 相 关 的 失 效评 定 图 。帅 健

22、 等 阳 提 出 了可靠 性 指标 的计 算 方 法 ， 研 究 了 可 靠性指标的影响因素及变化规律 ， 提出 了失效评 定 图 中 的 等 可 靠 性 指 标 线 的 概 念 。 王 晓 春 等_ 】 在 工 一 复合 型裂纹韧性断裂研究 的基础 上 ， 对 建 立倾 斜裂 纹 的失效 评 定图作 了初步 尝试 。 对 于体积 型 缺 陷 ， 目前 一 般 可 采用 3种 方 法 进行 评 价l_ 5 ： ( 1 )将 体 积 型 缺 陷 当作 裂 纹 型 缺 陷 来 处 理 ， 采 用断 裂力学 方 法进 行评 价 ； ( 2 )采用断裂力学和工程实践经验相结合的 半经 验公 式 ； (

23、 3 )采 用 以弹塑性 力 学 为基 础 的数 值 分 析方 法 ( 极 限承载 能力 分析 ) 。 第 3种评 价方 法 在 国内外 尤为 重视 。国外 的 B G公 司 和 MP C在 体 积 型 缺 陷适 用性 评 价 方 面 做 了大量开创性工作 。“ 八五” 期 间， 我 国起草 了 含 凹坑 缺陷压 力 容器 安 全 评 定 方法 研究 报 告 ， 通 过 大量 的极 限与 安 全性 数 值 分析 和实 验 测 试 ， 研 究球 形 、 椭 球 形 、 长 条 形 等各 种 凹坑 缺 陷 对 平 板 、 球 形 容器 和 圆筒 形 容 器 等 典 型 结构 的应 力 分 布 、

24、塑 性 区扩展 过程 、 失 效模 式及 极 限与 安全 性载 荷 的影 响 ， 给 出 了一 系列 极 限 与 安全 性 载 荷 计 算 图 表 与拟 合公 式 ， 并 提 出 了在 役压 力容 器 的免 于 评 定条 件 和工程 评 定方 法 。此外 ， 刘 应 华 等_ 】 结 合极限分析中的数学规划理论和有限元技术 ， 提 出 了三维 含缺 陷 结 构 极 限分 析 的数 学 规 划 方 法 ， 并 采用 罚 函数 法 引 入 塑 性 不 可 压 条 件 。张 红 才 等 _ 】 针对 不 同尺 寸 的含 凹坑 半 球 形 封 头 与 圆 柱 壳 体连 接 结构压 力容 器 ， 采用

25、有 限元 极 限分 析 方 法 研究 了结 构 不 连 续 处 不 同位 置 凹 坑 的极 限 载 荷 ， 得到了边缘应力效应对极 限载荷几乎没有影 响 的结 论 ， 其 研 究 成果 可 以为 含 体 积 型 缺 陷 的 此 类 结构 压 力 容 器 的安 全 评 定 提 供 指 导 。朱 健 斌 等_ 】 为寻求气孔对球形压力 容器极限载荷的影 维普资讯 http:/ 石油化工设备技术 响 ， 通过 弹塑 性 有限 元法 和极 限分 析方法 ， 对含气 孔 缺 陷的球 形 压力 容 器 极 限 载 荷进 行 了计 算 ， 得 出含气 孔 缺 陷 球 壳 极 限 载 荷 随 气 孔 的 长

26、短 轴 比 A B， 相对 深度 2 C 丁 的增 大 而 减小 的规 律 。同 时分 析 了其 塑性 区扩 展 过 程 和 失效 模 式 ， 得 出 两 种塑性 失效 模式 ： 含 小气 孔 ( A B和 2 c 丁均小 ) 球 壳 失效 模 式 是 整 体 破 坏 ； 含 大 气 孔 ( A B 和 2 C 丁均 大) 球壳 失 效模式 是 局部 泄漏 。 另外 ， AP I 5 7 9 l 1 第 4章 中 给 出 了 均 匀腐 蚀 的评定 方法 ， 第 5章 中给 出 了 关于 局 部 减 薄 及槽 形 凹坑 的评 定 技 术 及 验 收 准 则 。但 是 总 体 而 言 ， 相对 于

27、平 面型 缺 陷 ， 体积 型缺 陷 的研究 还 不成熟 ， 还有许 多工 作 要做 。 对于 弥散 损 伤 缺 陷 ， AP I 5 7 9第 6章 给 出 了 点腐 蚀损 伤 的评定 方法 ， 但评 定 过程 ， 尤其 是缺 陷 的定 量化 过程 太复 杂 ， 工 程上 难 以操 作和 应用 ， 第 7章给 出 了鼓 泡 及 分 层 的评 定 方 法 ， 但 仅 仅 是 比 较粗 略 的指 导性 方 法 。针 对 弥 散 损 伤 缺 陷 ， 赵 新 伟 等建立 了一 个评 价腐 蚀环 境下 服役 管线 安 全性 的破 坏模 型 ， 这一 研究 成 果 可 以为 含 弥散 损 伤 缺 陷压力

28、 容器 的安 全评 定提 供参 考 。 对 于几何 缺 陷 ， A P I 5 7 9第 8章 给 出 了管 体 不 圆 、 直 焊缝 噘 嘴 和错 边 的评 价 方 法 。对 于 机 械 损 伤缺 陷 的评 定 方 法 ， 尽 管 国 际上 从 2 0世 纪 8 0 年代 末期 以来 已开 展 了不 少研 究 ， 但 尚未 形 成 系 统 的评价 规范 和标 准 。 3 2含缺 陷压力 容器 剩余 寿命 的预 测及 其进 展 含缺 陷压 力 容器剩 余 寿命预 测涉 及 的缺 陷类 型包 括平 面型 缺 陷 、 体 积 型 缺 陷 和 弥散 损 伤型 缺 陷 ， 涉及 的缺 陷发展 速 率类

29、 型包 括腐 蚀速 率 、 亚 临 界裂 纹扩 展速 率 和损伤 速率 引。 剩余 寿命 预测 的方 法 大 体 包 括 两 种 ： 一 是 基 于现 场检 测 和监 测 积 累 的数 据 进 行 预 测 ； 二 是 通 过模 拟试 验获 得 缺 陷 的 动 力学 发 展 规 律 ， 然 后 对 剩余寿命进行预测 。由于剩余强度评价是剩余寿 命预 测研 究 的基础 ， 前 者主要 是评 价 现有 状态 ， 而 后者 主要 是预 测 未 来事 态 ， 因 此 剩余 寿命 预 测 的 难度 远大 于剩 余 强度 评 价 ， 目前 的研 究 也 没 有 剩 余强度评价成熟。 剩 余 寿命 主要 包

30、括 腐 蚀 寿命 、 亚 临 界 裂 纹 扩 展寿命和损伤 寿命三大类。三者之中， 亚临界裂 纹扩 展 寿命 ， 尤其 是 疲 劳 裂 纹 扩展 寿命 研 究 较 为 成熟 。疲劳 寿命 预测 通 常 是 以 P a r i s 公 式 为 基 础 的 ， 在 A K 大 于 A K h 的 条 件 下 ( A K h 为疲 劳 裂 纹 扩展 门槛值 ， 材 料性 能参 数 ) ： d a d N C( A K) 式 中 ： C， 优 材料性 能 参数 ( 即已知 缺 陷在 给 定 载荷 与环 境下 的长 大规 律 ) ； a 裂纹 尺寸 ； N 疲劳应 力 循环 周次 ； K 疲劳应 力 引

31、 起 的应 力 强 度 因 子 范 围 。 由 P a r i s 公式 可 以导 出 ： N ( 1 c) ( K) 一d “ N 为裂 纹 由初 始尺 寸 a 长 大 到临 界 尺 寸 a ( a 由含 有 缺 陷结 构 的 损 伤 容 限确 定 ) 的应 力 循 环周 次 ， 即 疲 劳 寿命 ， 是 可 以通 过 数值 积 分 得 到 的 。若 A K 小 于 A K h ， 则 d a d N=0 ， 可 以认 为具 有无 限疲 劳寿命 。 2 0 0 0年 ， P D 6 4 9 3 ： 1 9 9 1 与 P D 6 5 3 9 ： 1 9 9 4 ( 高 温 评定 方 法 )

32、发 表 了合 并 后 的 修 订 版 B S 7 9 1 0 ： 1 9 9 9 。新标准中推荐了新的疲劳裂纹扩展率 。采 用 了基 于 近年来 大 量钢 材 在空气 及海 水 中疲 劳裂 纹 扩 展试 验 数 据取 得 的更 为 精 确 的两 段 P a r i s 关 系式 和应 力 比 R 的修 正 法 等 。还 考 虑 环 境 的影 响 ， 给出 了在海 水 环 境 中有 阴 极 保 护 和无 阴极 保 护时 的新 的推 荐 方 法 ， 在 较 高 温 度 下 的疲 劳裂 纹 扩展 等 。为 了方便 起见 ， 同时也 给 出 了新 的 、 简化 的 、 保 守 的 ( 包络 线 ) 单

33、 段 P a r i s 关 系 ， 实 验 的应 力 比 R 大 于 等 于 0 5 ， 以给 出保 守 的 焊 接接 头 裂 纹 疲劳 扩展 分析 结果 。 近年 来 ， 国 内科 研人 员 在剩 余 寿命 预 测 方 面 也进行 了大量 的研 究 。范志 超u 对 1 6 Mn R进 行 了一系列的中温环境下的应力控制的低周疲劳试 验和抗 硝 酸盐 应 力 腐 蚀试 验 ， 建 立 了典 型 中温 环 境下 1 6 Mn R钢 的低 周 疲 劳 寿命 预 测 方 法 、 低 周 疲 劳设 计 曲线 及 低 周 疲 劳 损 伤 力 学 模 型 。段 权 等比 。 J 通 过 1 6 Mn

34、R压力 容器 热轧 钢板 三 点弯 曲试 样的低周疲劳实验数据， 定义疲劳裂纹扩展过程 中 ， 裂 纹从 线性 扩 展 规 律 转 变 为 非线 性 扩 散 规 律 的转折 点 寿命 为 裂纹 萌生 寿 命 ， 相应 的裂 纹 转 折 长度为 裂纹 的萌 生 尺寸 ， 从 而 提 出一 种 新 的疲 劳 裂 纹萌 生 寿命指 标 ， 由于 该指 标具 有 分散性 ， 他 们 引入对 裂纹 萌生 寿命及 尺寸 的概率定 义。林 晓 斌 1 发展 了一 种 能 自动 模 拟 任 意 面形 裂 纹 疲 劳 维普资讯 http:/ 第 2 6卷第 5期 姜焕 勇等含缺 陷压 力容器的适用性评价技术及其

35、进 展 4 5。 扩展 的计 算技 术 ， 该 技 术 基 于 三 维 有 限单 元 法 和 P a r i s 疲 劳裂纹 扩展 速 率方 程 ， 并 具有 网格 随裂 纹 扩展 重新 自动 生成 的能 力 。 另外 ， 近年 来 概 率 方法 和智 能 方 法 在 疲 劳 寿 命预 测 中应 用 较 为 广泛 ， 国 内 不 少学 者 进 行 了这 方 面的研 究 。陈裕 等 对 1 6 Mn R钢焊 接 接 头焊 缝 区 、 热 影响 区和母 材 区做 了低 周疲 劳试 验 ， 获得 了三个 区 的低 周 疲 劳 寿 命 分 布 与 裂纹 扩 展 规 律 ， 根据 统计 结 果 ， 采

36、用 Mo n t e C a r l o法 对 给 定 的两 个 裂纹 长度 问的 扩 展 寿命 进行 了预 测 ， 并 初 步提 出了整个 焊接 接 头 的可靠 性最 弱环 模 型 。周 昌玉 等_ 2 在确 定腐 蚀 疲 劳 剩 余 寿命 计 算 方 法 的基 础 上 ， 考虑 到 由于部 分参 量 是随机 的 ， 并且 服从 一 定 的分布 规律 ， 用 Mo n t e C a r l o方 法 对 这 些 参 量 进 行抽 样 取值 ， 然后 计算 寿命 ， 取得 了腐 蚀疲 劳剩余 寿 命 的概率 分布 ， 并 进 一 步 得 到一 定 可 靠 度 下 的 腐蚀 疲 劳 剩 余 寿

37、 命 。戴 树 和 等 研 究 了在 役 压 力容 器 的疲劳 事件 进行 预测 的模 糊 方法 和基 于 人 工神 经 网络专 门学 习 系统 的含缺 陷结 构疲 劳 寿 命 计算 ， 并应 用 模 糊集 理 论 进 行 了焊 接 结 构 对 疲 劳 性能 影 响的模 糊综 合评 判 。 对 于腐 蚀寿 命 和损 伤寿 命 ， 目前 的研 究 远不 成 熟 ， 并且 预测 难度非 常 大 ， 这 主要 是 因为 ： ( 1 )缺陷 发展速 率难 以实现 现场 准确 监测 ； ( 2 )实验 室 内加速 数据 与 现场 复 杂 多变 的环 境 难 以对应 ； ( 3 )目前 可利用 的 数据

38、资料 较少 。 刘 小 宁 借 助数 理统 计方 法 分 析 认 为 ， 介 质 及 环境 对钢 制压 力容 器与 压力 管道 的最 大腐 蚀 深 度 符合 I型最大 值 分 布 ， 耐 腐 蚀 寿 命 属 于 I型 极 小 值分 布 。初 步 建立 了腐 蚀剩 余 寿命 与腐蚀 速 率 及 变 异 系数 、 腐 蚀 裕 量 、 可 靠度 之 问 的定 量 关 系 ， 得 到 了确定 腐蚀 剩余 寿命 的计 算公 式 。并且 指 出 最 大腐 蚀深 度和 腐蚀 速率 等参 数 的变 异系数 往 往 大于 0 2 ， 因此 不 宜 用 正 态 分 布 模 型 进 行 压 力 容 器 与管 道耐

39、腐蚀 剩 余 寿命 的计 算 与 分 析 。C E G B R6和 B S 7 9 1 0对 疲 劳 和 蠕 变 寿命 做 了指 导 性 的 考 虑 ， 在 其他 已有 的结 构完 整性 评 价标 准 中 ， 剩余 寿命 预 测要 么没 有提 到 ， 要 么 只是 粗略 地提 及 。 此外， 为使大型储罐在实际运行使用 中得 到 安全 保 障 ， 2 0 0 3年 中 国石 油 管 材研 究 所 承 担 了 中 油 集 团技术 开发 项 目 大型 储 罐 安 全 评 价 方法 研 究 及软 件开 发 。此 项 目主要 研究 内容 为 ： ( 1 )含 缺 陷 储 罐 剩 余 强 度 的 评 价

40、 方 法 研 究 ， 包括 ： 含 缺 陷储罐 极 限载荷 分 析方 法 ； 腐 蚀缺 陷评 价 方法研 究 ； 裂 纹或 类裂 纹 缺陷评 价 方法研 究 ； 几 何 缺陷评 价 方法 研究 。 ( 2 )含 缺 陷 储 罐 剩 余 寿 命 预 测 的方 法 研 究 ， 包 括 ： 腐 蚀 寿命 预测 模 型及 方 法研 究 ； 疲 劳 寿命预 测 模型 及方 法研 究 。 ( 3 )安 全 评 价 软 件 开 发 。 目前 ， 该 项 目进 展 比较 顺利 ， 在 参考 国 内外 管 道 和 压 力 容 器 安 全 评 价技 术 的基 础之 上 ， 已 给 出 了系 统 的大 型 常 压

41、储 罐安全评价方法和流程 ， 安全评价计算程序正在 调 试 中 。项 目完 成后 ， 将 给 出界面 友好 、 计算 精 度 高 的安 全评 价软 件 ， 并尽 快应 用 于生产 实 际 。 4发展 方 向及 需着 重开展 的 工作 ( 1 )含缺 陷压 力容 器 的适用 性 评 价技 术 是 当 代 工业 发展 的客 观 要 求 。 目前 ， 我 国石 油 石 化 行 业 还没 有 形 成 自己 的 一 套 系统 的 适 用 性 评 价 标 准 ， 这与 我 国石 油石 化工业 的发展 很不 协调 ， 因此 我 国石 油石 化行 业应 加大 该方 面 的工 作力 度 。 ( 2 )目前 ，

42、适用 性评 价 的适 用 范 围还 比较 小 ， 特 别是对 于机械 损 伤 缺 陷 ， 目前 尚没 有 系 统 的 评 价 规范 和标 准 。随着 研 究 的逐 渐 深 入 ， 今 后 应 扩 大 适用 性评 价 的适用 范 围 ， 同时 ， 应 注 意评 价过 程 在 工程 上 的可操 作性 。 ( 3 )对 于剩 余 寿命 预 测 ， 目前 除 疲 劳 寿命 预 测 研究较 成 熟外 ， 其 余诸 如 腐 蚀 寿 命 和 损 伤 寿 命 的研究 都远 不成 熟 ， 预测 难度 很大 ， 今后 需 要加 大 研 究力 度 。同 时 ， 由于我 国有 不 少 压 力 容 器运 行 时 问 已

43、经较 长 ， 还应 考虑 压力 容器 延寿 问题 。 参 考文 献 ： 1 李 鹤 林石 油管 工 程 M 北 京 ： 石 油 工 业 出 版 社 ， 1 99 9 2 赵 新伟 ， 路 民旭 ， 白真权管线腐蚀剩余强度评价 的研 究 现状 及发展 趋势 E J 石油专 用管 ， 1 9 9 7 ， 5 ( 4 ) ： 9 1 4 3 I M i l ne ，R A Ai ns wo r t h。A R Do wl i n g a nd A T St e wa r t As s e s s me nt of t he I nt e gr i t y o f St r u c t ur e s

44、C o n t a i n i n g D e f e c t s C E GB R e p o r t R H R 6 一 R e v 3 E J I n t J P r e s s u r e v e s s e l s a n d P i p i n g，l 9 8 8， 3 2 ： 3 1 0 4 4 左 尚志 ， 钟群鹏 ， 武淮生等失效评定 图中的等 可靠性 维普资讯 http:/ 4 6 石油化工设备技术 2 0 0 5正 指标线 J 机械工程材料 ， 1 9 9 9 ， 2 3 ( 4 ) ： 4 9 5 1 5 冯耀荣 ， 张平生 ， 李鹤林含缺陷油气管道 的完整性与 适用性

45、评价 J 焊 管 ， 1 9 9 8 ， 2 1 ( 3 ) 6 钟群鹏我 国压 力容 器安 全 评定 技 术 的现状 和 发展 J 中国机械 工程 ， 1 9 9 7 ， 8 ( 5 ) ： 9 5 1 0 0 7 王威 强钝裂纹或缺 口下失效评定 图的变化及修正方 法研究 J 机械 工程学 报 ， 1 9 9 9 ， 3 5 ( 4 ) ： 5 9 8 金志江高应变 区准三 维模型 失效 评定 曲线 F AC的 研究 J 工程设 计 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 4 4 4 7 9 轩福贞 ， 涂善东 ， 王正东 高温含缺陷结构 与时 间相关 的失效评定 图 J 核动力工程 ， 2

46、0 0 3 ， 2 4 ( 6 ) ： 5 O 8 5 1 3 1 O 帅健 ， 辛艳霞基于失效评定 图的油气管线 可靠性 分 析 J 天然气工业 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 2 ) ： 8 3 8 6 I I 王 晓 春倾 斜 裂 纹 的失 效 评 定 图 J 压 力 容 器 ， 2 00 0， I 7( 5)： I 4 1 2孙国有 ， 王晓春， 吴立军 ， 郑津洋压 力容 器中倾斜 裂 纹的失效分析方法 J 浙 江大 学学 报 ， 2 0 0 1 ， 3 5 ( 6 ) ： 6 28 63 2 1 3刘应 华 ， 岑章志 ， 徐秉 业含缺 陷结 构 的塑性 极限 分 析 J 固体

47、力学学报 ， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 3 ) 1 4张红才 ， 李培 宁， 陈 代清球形 封头 上结 构不 连续 处 凹坑极限载荷分析 J 石油化工设备 ， 2 0 0 3 ， 3 2 ( 6 ) I 5朱健斌 ， 郑敏荣含气孑 L 缺陷球形压力容 器极限载荷 的研 究 J 石油机械 ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 1 0 ) I 6 API RP 57 9：Re c omme nd e d p r a c t i c e f or f i t ne s s f or - s e r v i c e l, S 2 0 0 0 1 7 XW Z h a o，J HL u o ，MZ

48、h e n g，HLLi A d a ma ge mod e l f or a s s es s i ng t he s a f e t y of p i p e l i n e s e r v e d i n c o r r o s i o n e n v i r o n me n t s r J Me t a l s a n d Mat e r i al s i nt e r n a t i on al ， 2 0 02， 8( 5)： 47 9 4 85 1 8 L u Mi n x u ，Z h a o Xi n we i ，Lu o J i n h e n g I n s e r v i c e o i l an d g a s p i p e l i n e i nt e gr i t y as s e s s me n t pr a c t i c e a nd p