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1、 中国机械工程年第卷第期 这一阶段 的主要研究成果分述如下 。 导 则 , 一等 , 均 采用级评定路线 。 平面缺陷断裂的级评定 、失 效评定图技术因此 , 一也采用级评定技术路线见表 和级之间的合理衔接问题研究 。 但一还有 自己的一些特点 。 平面缺陷的评定分为级级评定筛选评筛选评 定级实质上完全继 承 了我国 定 、 级评定常规评定 、 级评 定 高级评定 。 一规范的精华 , 但以失效评定 图的形 式 它们的评定目的 、 评定路线及所需材料断裂原始表示 , 仍允许采用 “ 允许等效裂纹尺寸礼法 ”。 在 数据列于表 。 常规评定级中 , 采用的通用失效评定图和 近年世界各国出版 或再
2、版 了一 系列缺陷分安全系数法完成其防止起裂的评定 。 通过对我 评定规 范 , 包括一 , 一 , 表平面缺陷评定的个级别的比较 级别评定目的评定技术路线 评定时选用的材料 断裂韧性参量 级评定 筛选评定 确定缺陷是否发生起 裂和结构 是否发生塑性 失稳的筛选安全评 定 , 方法较简单 采用设计曲线为 基础的筛选失效评定图 占 或炙 级评定 常规评定 确定缺陷是否发生起裂和结构采用保守的通用失效 是否发生塑性失稳的常规评定评定图 占或 级评定 高级评定 确 定裂纹 能 否发生撕裂失稳 的采用工程优化评 全过程安全评定定方法 曲线 表平面缺陷断裂评定采用级评定的技术路线 认认龚龚 级评定定级评
3、定定级评定定 一第三版选择曲线的下包络 线通用用参考应力法 失失严格的了万万 一 吞的失失 失失失效评定曲线见 图”效评定 曲线见 图效评定曲线线 若若若 , 簇 , 一一 若簇 材 , , 若乙 乙 ,犬, 奋奋 了 一一一 物 典奥 一 专专若 材 , 一。 、 少 , 助 产产产 若若若 , 材 , 一。 。 若 , , 一 以失效评定图表示的设设以 一模型为荃础的的采用的选择曲线 , 在应力力 计计计曲线见 图老通用失效评定图 见 图图应变曲线不能确 定例如热影影 了了了万万一 响区时采用选择的通用用 , 一 厂 。 , , 失效评定曲线见 图 或 了古一 , 共 一一一一 , 一 一
4、 尸 铲 贫贫贫贫 , , , 气万。 , 一 一采用设计 曲线 为基础的的采用保 守 的通 用 失 效评评采用工程优化评定方法法 筛筛筛选失效评定图 见 图定图 见 图失稳条件为为 了了了了 一 若 , 簇 材 , 一一古 , 口 , 丁 丫丫 袱 、 , 一 丁 云 占 , 一 蓄 “ 若若若若 , 一。 利用微机进行行 鳃 才 ,匕们 七 卜 斌 恻泉粼返某扮 、 小旧侧烈 抉 倒 ,止 、,七 添 贝又指 通 几 , 一处截助 一七 卜线 。 畔 叫 刃红互二 竺 外加忆 不丫 , 洛 服 代 昨 】 】 外加载昨卿鱼性儿以弓 贬 乙 狱州 保粼 妇葵 协灯 小匕莎晰 长侧 图图 我国
5、压力容器安全评定技术的现状和发展 钟群鹅武淮生 田永江等 凡定 线 你 三 外 一绪 忆不 汀 丰书流变劣 一变才 戈戒 布 活长恐划止滋豁豁昧华 回津划咔器端吵 图 兰 兰安全区 安全区 一 目二 八八月 会 公丹么 材 冷 粼含 注滚乏半澎 岔 肠 全 心了 、 外加载荷 塑性屈 服毅荷乙 一 、 一 盆 、 了 , 一 。 犷斗心 卜让 认 外加找 价 衬全流变强度络 飞不 万 狱恻 军 洲乞纂七 、 伟回侧怒 只 曰 图图 一 “一 赫 立 上数攫 二飞 人嘴 夕砂方更 曳 戈本不主寿寸 , 艺 外绪 戈 不灯 卞 之端曰 , 但这一下包络线 , 簇的范 围内与通用失效 评定 曲线的误
6、差以载荷计 均不大于 , 这就 大大支持了本规程采用通用失效评定图作 为 常规评定的技术依据 。 在高级评 定 中采用 了美国电力设 计 院工程优化评定方法 , 并直接采用积分为撕裂 参量 , 从而能完成从起裂开始 , 至有限量撕裂 、 直至 撕裂失稳的全过程的含缺陷压力容器的安全评定 。 所谓 “ 优化 ”方法 , 即由给定的如寻求满足平稳条 件 , 。 , , 的相容应力几 , 找诸相容应 力的极大值即为失稳应力 , 并用软件求得 失稳应力 , 这反映了我国的创新成果 。 为了保证 筛选评 定 能 真正起到筛选作用 , 一规定筛选评定计算中的许用值 【炙应 为材料的断裂韧性凡除以后的值 ,
7、 并规定重 要设备的缺陷评定宜同时采用常规评定和筛选评 定 , 如果筛选评定的结论与常规评定的结论发生矛 盾时 , 一规定应以常规评定的结果为准 。 筛选评定的失效评定图截止线为却“一 , 而常 规评定的失效评定图的截止线严一刃丐于丐 , 所以对防止塑性失稳的评定来说 , 采用筛选 评定方法总是比采用常规评定方法来得保守 , 一般 不会发生筛选评定通过而常规评定不通过 的 “ 逆 转 ” 现象 。 在仅有一次应 力时 , 常规评定的安全裕 度 常 与筛选评定的安全裕度 一 的比值见式和 表 。 狱 侧床哪与其扮伟曰侧惠长侧 图 国常用 压力容器用钢的母材 、 焊缝 、 各种 试板 、 容 器
8、、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 即的选择多条与通用的 失效评定 曲线对比说明 , 在绝大多数情况下通 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 会比通用评定曲线要低 一点 。 多条严格失效评定曲线的分散带见图 , 其下包络线方程为 , 一 三 一 去 式中 , , 为外加应力的应力强度因子与材料断裂 韧度之比 , 为外加载 荷与材料塑性屈服载荷之 比 。 常 帅 , , 帅 式中 , 了 帅 为按筛选评定方法计算的外加应力的 应力强度因子值 , 为按常规评定方法计算的外 加应力的应力强度因子
9、值 , 为与 , 有关的一 个函数值 。 衰 ,吮 , , , 与 , 之间的类系 , 努 , 凡 八汽亡山乙 召 ,几 ,土,工 卫 。 月 勺 月了八 三 万几湘试 ,三冬二犷丈厂 、 片 卜 三乙 夕 一筑载荷 夔性 注级毅衍几 图长屈服平台钢的分散带与下包络线 从表可见 , 一般常规评定比筛选评定略为保 守一些 。 通过对近个算例的验证 , 筛选评定和常 规评定结果之间的衔接是比较合理的 。 为了解决常规评定在弹塑性起裂评定和高级 评定之间的衔接问题 , 我国在高级评定 中采用 的综合安全系数 油 。 综合安全系数的大小 二尽 一衣否 三 一 、工 二 霓通 亡 它 兰 盛一 动 中国
10、机械工程年第卷第期 之、 二 、 口之夕 通岁 之尸升艺 三炭理哭佗万孔介注二岁一三 是根据常规评定 中对较重要的 、 失效后果严重的各 评定参量 的分安全系数的 累积效果及在 小范 围屈 服条件下的断裂韧性的工程修正估算中得到的 , 并 经过不少案件评定实践的验证 。 体积型缺陷的评定采用我国首创 的凹坑缺 陷压力容器塑性极限载荷分析法闭 凹坑为压力容器常见缺陷 , 它可能由腐蚀或机 械损伤产生 , 也可能 由于打磨表面或近表面缺陷形 成 。 凹坑比裂纹安全得 多 , 如果能提供可靠的凹坑 缺陷安全评估的方法 , 不仅能使部分凹坑免于焊补 而且还能避免焊 补促使新裂纹产生的危险 , 因而有
11、重大的现实意义 。 压力容器凹坑的塑性破坏可能是整体塑性 失 稳 , 也可能是凹坑底部局部塑性失稳破坏 。 对大量 带各类凹坑缺陷的平板 、球壳、 筒壳的弹塑性分析 、 极限载荷分析 、 安全性载荷计算及 一些试验验证 , 发 现凹坑 对 容器 塑性极 限 承载能 力 削 弱率 尸尸 。 与凹坑无因次深度及凹坑无因次 长度了反了之积 。 密切相关 。 例如球壳上凹 坑可保守地表示 为 了天了 一一 。一 内 。 下限 一一 夕 名 式中 , 为凹坑半长 , 为凹坑深 , 为表 面凹坑所在部位 的容器平均半径 , 。 为凹坑 的无 因次 深度与凹坑的 无 因次长 度 俪 之积 , 即 。 一 争
12、 俪 二为球壳 厚 , 为有凹坑时的极限载荷 , 尸 为无凹坑容器极限载荷 , 。 对 圆筒容器凹坑 图球壳外壁球形凹坑极限载荷数据及其拟合线 力及热应 力 。 由于二次应力是自平衡应力 , 又是有 自限性的 , 在外力作用下可能局部塑性松驰或再分 布 , 对断裂的影响有时很大 , 有时很小 , 积分 此时不再守恒 , 因此 , 处理二次应 力的分析技术难 度较大 。 代表当今国际水平的是用通用失效评定曲 线及提出的因子来处理二次应力 。 但 是这个方法用于小裂纹位于高值残余拉应力区是 不安全的 , 其他情况又过于保守 见图 。 “ 八五 ” 攻关 中我国研究人员建立了二次应力存在时守恒 的修
13、正积分计算程序 , 揭示 了的因子存在 问题的症结所在 , 导 出了一套更先进的因子 , 理 论和试验证明都要 比的更符合客观实际 。 在 一中 , 采用 了 “ 八五 ”攻 关的这一最新成 果 。 宜二 产, 竺 产 ”二 子监石 一 礼 一一 户针 少 口几扮艺 卜 任 三众一 诬 二 几 一 。 下, 一一。 叔 并且规定大于的载荷安全系数 , 即凹坑容器 的最大允许工作压力尸 二 簇 。 在 。 范 围内 , 实际的 尸 。 值均高于 , 其凹坑的削弱率均不大于见图 , 因而 规定 当 。 蕊时可以免于进行评定 。 一提出的凹坑缺 陷评 定 方 法 , 理 论 严谨 , 概念清晰 ,
14、方法简单 , 是我国研究的一种对凹 坑缺陷安全评定方法 。 与国外现有规程相比 , 凹坑 允许的尺寸有所放宽 , 可以 “ 解放 ”相当大一部分凹 坑缺陷 。 在撕裂评定中采用了我国 “ 八五 ”攻关中处理 二次应力工程方法和我国研究的裂纹间弹塑性千 涉效应分析法 焊接 压 力容器不 可避免地存在着焊接 残余应 落 户 二一份一一州 花花 几共三刃互 飞注一立式气 、 二 图中的仍和一中仍的比较 通过有二次应 力存在下的严格的弹塑性断裂 力学理论分析计算证明 , 筛选评定 中处理二次应 力 的系数 二 不是常数 , 且变化很大 。 为保证安全 , 对 系数值的具体规定作了局部调整 。 众所周知
15、 , 在工程实际中缺陷往往不是孤立存 在 的 。 为了考虑相邻缺陷的相互影响 , 当相邻缺陷 的存在导致应力强度因子增加率达到一定程度时 , 必须将相邻的个裂纹作为已贯穿为个大裂纹来 处理 , 世界各国的规范都这样处理 。“ 八五 ” 研究发 现 , 裂纹 间的弹塑性干涉 效应 石轰万夏 。 为不 我国压力容器安全评定技术的现状和发展 钟群鹏武淮生 田永江等 考虑裂纹间的弹塑性干涉效应时的积分值 , 为 考虑裂纹间弹塑性干涉效应时的积分值要比弹 性干涉效应 。潭洋为不考虑裂纹间弹性干 涉效应时的应 力强度因子 。为考虑裂纹间弹性 干涉效应时的应力强度因子大得多 , 并与材料的 本构关系和载荷水
16、平有关 。例如裂纹 间距超过两相 邻等长裂纹时 , 按老规范就不考虑二者的影响了 , 但计算表明对材料来说 , 在 , 后弹塑 性干涉效应 系数 一 抓兀万夏 可达到 , 对 钢来说 , 在 , 一 时可达到见图 。 , 显然忽视相互影响会带来危险的后果 。 业已证 明 , 只要在单裂纹的应力强度因子上乘以相邻缺陷 的弹塑性干涉效应系数 , 即可利用通用失效评定 曲线完成考虑裂纹间弹塑性干涉效应的断裂评定 。 根据不同应 力应变关系材料的计算结果已给 出了 值的估算公式 , 并以表格的数值形式给 出 , 使用 方便 , 这在国际上还是首创 。 一采用了这 一成果 , 并在常规评定中使用 。 七
17、 勺二戈几月 一 ,产 系全文 一于 爪月注应力 。, 匕入 “ 外 别澳星打二竺呱 泪心比了二 卜凡 兮 凡 卜不裂纹之 间的距 离 见 定荟犷的距离 夕、 尸尸 拒 率 , 为型裂纹的应力强度因子增幅 的 关系是合适的 。 为了提高疲劳裂纹扩 展量计算方法 的精 度 ,“ 八五 ”攻关研究了我国压力容器用钢及焊缝的 穿透裂纹及表面裂纹在各种加载条件下的疲劳扩 展试验 数 据 , 评价了逐个循环计算法 , 一的川原正言法及的多级 一曲线法为应 力 , 为循环次数 。认为基于 公式及一应 力强度因子解的 逐个循环计算法用于估算裂纹扩展量的精度最高 , 理论较严密 , 可用于任何非恒幅载荷 ,
18、借助于微机 完成 , 使用方便 。 一首先推荐采用逐个循 环计算法 。 同时也允许采用近似积分法 , 即将总裂 纹扩展量如分成若干段 , 考虑每一段中及 。的变 化很小 , 裂纹形貌及 变化不大 , 可看作为常数 , 分 段计算 , 将大大减少计算工作量 , 甚至可用手工 完成 。 为了考虑横向载荷对疲劳裂纹扩展速率 的影响 , 对双 向载荷疲劳性能的影响进行了研究 。 研究表明 , 双向载荷比 一 二, 一 或的 情况下 , 横向载荷对材料疲劳裂纹扩展性能无明显 的影响 , 故只需用单向疲劳试验数据即可 。 但是表 面裂纹的应力强度因子随载荷比的增加而减小 , 从而影响疲劳扩展速率 。双 向
19、应力状态下的应力强 度因子为单向应力下的 , 乘以 , 经标定 , 建议在 一 时取 一 , 在 一 时取 一 。 乒 一 心 万喃迈岌趁一 幸习象畜宜洲 卜 , 盛 夕 州川左又 爪塑性心服玲记不汀人 图双裂纹弹塑性干涉效应 在疲劳评定中 , 采用国产常规压力容器用钢 , 并考虑到其可靠度和存活率的实测数据 , 从而提高 了疲劳评定的可靠性 一推荐采用 国产常用材料平面 缺陷疲劳扩展速率的数据 , 先按均值存活率 回归得到关系 , 再乘以不小于的系数作为 评定用的关系式 。 乘以是考虑到实际数据 的概率分布 , 与一的款一致 。 用 我国 , 及钢的和试验 实测值回归的系数乘以得到的评定用
20、材料关系 。 统计分析结果说明 , 这相当于存 活率为的关系 。 在没有实测数据 的情况下 , 一推 荐采用 国际通用的疲劳断裂扩 展速率的公 式 。 经过用及一对接接头焊缝表面 裂纹在双向载荷及单向载荷下实测的疲劳裂纹扩 展速率数据 , 按存活率回归的关系说 明 , 一对丐的铁素体钢采用 一, , 为裂纹扩展速 压力容器安全评估技术在我国的应用 安 全评 定 技 术在我国的应 用始于 。 年 。 年发生一具球罐爆炸后 , 开始对全国进行 台大球罐的全面检验 , 发现普遍存在大量裂 纹 、 气孔 、 未焊透未焊实等缺陷 , 于是开始了较大规 模的断裂力学缺陷评定研究与试用性的工作 , 整整 耗
21、时年 , 花费上亿元 , 有万人参加研究 、 检验及 治理工作 , 积累了大量数据与应用实践经验 。 尔后 , 产生了一 , 发展了声发射 检测技术和先进的无损探伤方法 , 进一步应用于高 压容器 、更大型球罐和其 他重要压力容器的安全评 定 , 应用案例达数百例之多 , 它们至今仍安全使用 。 经过从年开始长达年之久的全 国 性压力容器表面检验与缺陷治理工作 ,“ 压 力容器 安全状况等级 ”已全面应用于全国 万台压力容 器中 。 随后 围绕一安全评定方法和端 点衍射超声测量缺陷高技术的研究 , 又进一步扩大 中国机械工程年第卷第期 到在加氢反应器 、 超高压容器中的应 用 , 已成功应 用
22、数十案例 , 且正不断推广应用 。 我国压力容器安全评定技术发展前景 总体来看 , 我国压力容器安全评定技术向如下 几个方向发展 示范 、 应用 和修 改完善一 , 并使 之成为国家标准 。 扩大安 全评定 对象 , 在 “ 九五 ”期 间 , 将进 一步研究和编制我国压 力管道安全评定规程 和 在用压力管道安全状况等级评估推荐方法 , 并与 一汇成我国压 力容器和 压 力管道安全评 定规程体系 。 扩大安全评定的范围 , 从仅考虑 内压载荷 断裂疲劳来评定压力容器和压力管道安全与否 , 深 入到考虑 环境介质作用的剩余寿命 , 使安全评定 、 剩余寿命和 延寿技术相结 合 , 形成更为实用的
23、体 系 。 深入研究起裂控制的失效模式和断裂诊断 技术 , 完善多模式 、 多级的断裂安全评定体系 。 包括 深入研究与裂纹尖端三维约束程度有关的多 双 参量弹塑性断裂 、 非匹配焊缝断裂分析工程方法和 裂纹的非积分控制扩展的静载断裂评定等深入 研究各种情况下的体积缺陷的弹塑性分析及极限 载荷分析 , 形成更为完整的体积缺陷的安全评定技 术和方法体系研究管系压 力容器的相互作用载荷 及大应变疲劳裂纹扩展 , 高温蠕变 、蠕变疲 劳 、 应力 腐蚀 、 腐蚀疲劳等情况 下的裂纹扩展速率 , 完善特 殊环境下的安全评定技术和方法等 。 从确定型的评定方法 , 向概率评定 、模糊评 定和智能评定方向
24、发 展 一。, 并与新的传感技术 、 检测技术特别是故障和缺陷的在线诊断技术和 计算机技术相结合 , 逐步形成崭新的安全评定和监 测监控技术体系 。 参考文献 李学仁我国锅炉压力 容器安全工程发展 预测见我 国锅炉压力容器安全工程进展 首届全国锅炉压力 容器安全技术学术会议论文集劳动部锅炉压力容器 安全杂志社 , 李培宁 , 杨芳毓国际 压力容器缺陷工程评定技术进 展 压力容器 , , 蔡其巩 , 陈宪禧 , 金志英安全设计曲线的理论 依据压力容器安全 评定北京劳动人事 出版社 , 陈钢含凹坑缺陷压力容器极限与安 定性数值分析 博士学位论文北京清华大学 , 潘红良含二次应力焊接结构断裂应力分析
25、及其工程 评定方法 博 士学 位论文 上海华 东 理 工 大学 , , , , , , , , 馆 , 武淮生结构完整性概率评定方法的研究 博士 学位论文北京北京航空航天大学 , 钟群鹅男 , 年生北京航空航天大学北京市材 料和失效分析预防研究所副所长 、 教授 、博士研究生导师 兼任中 国机械工程学 会常务 理事 、 副秘书长 、 学术工作委 员会 副 主任委 员 、 失效分析分会主任委 员 、 国家安全生产专家组专家和专业组组 长主要从事材料科学和工程 、机电设备失效分析预浴预 防方面的 教学和科研工作著有教材和专著部发表论文多篇获部 级以上奖励次 , 其他奖励和表彰次 ,享受政府特殊津贴
26、专家 此淮生 田永江张峥 雇延光北京市北京航空 航夭大学 李学仁北京市劳动部锅炉压力容器枪洲研究中心 李培宁 上海市华东理工大学 寄语读者 在广大读者 、 作者的信任与支持下 , 本刊取得 了如下新进展 由中宣部 、 国家科委 、 新闻出版署共同主持 的第二届全国优秀科技期刊评比春节前揭晓 , 本刊 荣获一等奖 在种科技期刊中评出一等奖 种 。 从年开始 , 本刊被 中国科学 引文数 据库作为来源期刊 。 经中国科协批准 , 本刊年改月刊另 发 。 加大报道中国机械工程学会 系统信息力 度 , 欢迎各级学会工作者和会员及时向本刊提供最 新学术信息 。 为了迎接改月刊后的新发展 , 本刊正在重 组董事会 、 编委会 、 审搞专家与通讯队伍 , 欢迎关心 本刊的读者推荐合适人选 。 本刊编辑部 , ,一 , 一 , , 一 一 、一一 , 一 一一一一 一 , 一 一 一 一 一 一一、 一 , , , , , , 、 , , 一一 飞 一一一 压 , 一 一 、 一 一 , , , 一 , , 一 , 一 一, ,一 , 一 , 、 一 通