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压力容器缺陷评定研究进展

刘晓东

陕西省锅炉压力容器检验所

1　前　言

随着现代工业的迅速发展，压力容器也向参数大型化和结构复杂化发展。由于设计压力的提高、高强度钢材的大量使用、焊接技术的普遍运用以及过程设备使用条件的严酷化等因素的影响，曾使压力容器的断裂事故增多，压力容器的安全及缺陷评定技术显得越来越重要。国际上对压力容器的安全及缺陷评定技术进行了大量的研究，并取得了长足的进展。尤其近10多年来，断裂力学中的线弹性理论和弹塑性理论在压力容器缺陷评定中的应用有了新的重大进展，产生了诸如COD曲线，R6和EPRI失效评定图等以“合乎使用”为原则的断裂评定规范，标志着缺陷评定技术有了很大进展。随着研究工作的进一步深入，能够很好地解决工程结构中存在的随机性和模糊性问题的概率断裂力学和模糊断裂力学、能够很好解决工程中的高度非线性问题的神经网络人工智能技术以及作为缺陷评定的一部分并成为当今世界研究热点的疲劳评定和寿命预测等方面的研究将成为压力容器缺陷评定的研究重点和发展趋势。

2　国际缺陷评定方法研究进展

由于近年来国际上结构完整性评定技术的发展，按“合于使用”原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定越来越走向成熟，已在国际上形成了一个分支学科，在广度和深度两方面均取得了重大的发展。在广度方面新增了高温评定、各种腐蚀评定、材料退化评定、概率评定和风险评估等内容；在纵深方面，弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定，极限载荷分析，微观断裂分析，无损检测技术等均取得很大的进展。

鉴于世界各国缺陷评定规范的迅速发展，International Journal of Pressure Vessel and Piping期刊于2000年发表了题为“缺陷评定方法”专刊，介绍了国际上10个缺陷评定规范的进展，其中也包括了我国“八五”攻关编制的SAPV－95。而在该领域内以欧洲委员会于1999年完成的SINTAP评定方法（Structural Integrity Assessment procedure）和美国石油学会于2000年颁布的针对在用石油化工设备的API579（Recommended Practice For Fitness ForService）最具代表意义。

2.1　SINTAP评定方法

SINTAP程序提供了两种评定方法：FAD（Failure Assessment Diagram）方法和CDF （Crack Driving Force）方法。FAD的关键是失效评定曲线f（L_r），只要评定点（L_r，K_r）落在FAD图的安全区内，则缺陷就是安全的。CDF是直接按J＜J_IC的判据来进行评定的，但裂纹推动力J的计算规定应按失效评定曲线f（L_r）求得，因此尽管CDF法和FAD法形式有所不同，但实质上是一样的。

SINTAP方法根据获得的材料拉伸数据的详细程度划分为6个等级，3个标准评定级别和3个高级评定级别。在标准评定级别中，第一级标准评定是初级评定，仅仅需要知道材料的屈服强度、抗拉强度和断裂韧度；第二级标准评定是考虑了匹配问题的评定，主要针对第一级中的不均匀材料，如焊缝与母材强度比大于10％的情况；第三级标准评定是最先进的标准等级，等同于R6中的选择2曲线，该级别的评定需要材料的韧度数据和全应力－应变关系曲线。在一、二等级评定中，评定曲线的产生是仅以材料抗拉性能保守型估计为基础；在第三级评定中，通过全应力－应变曲线对材料力学性能的准确描述，可获得更准确、低保守型的结果。在高级评定级别中，第一级高级评定对FAD及Kr的计算均做了相应的修正，主要是考虑了裂纹尖端拘束度的具体情况来估算材料实际断裂韧度；第二级高级评定实际上是严格的有限元计算解，可作为验证各低级评定方法的工具，并非是适用于工程评定的方法，该级别的评定要求已知材料的应力应变关系曲线以计算J积分；第三级高级评定考虑了LBB状态，即有时部分深表面裂纹可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂纹，引起泄露，但仍然可能处于稳定状态，为此SINTAP提供了一个新的估算裂纹扩展过程中缺陷形状变化的方法。

作为国际缺陷评定规范，SINTAP结构完整性评定方法充分吸收了最新的缺陷评定理论和工程规范，评定理论严密，分级评定方法实用。在分级评定中，不可接受的结果并不是说分析的失败，而应该是把分析级别推向一个更高的级别。若低级别的分析足够用户证明安全，那就没有必要进行更高级别的分析。

2.2　API 579评定方法

与主要反映缺陷的断裂评定技术（包括塑性失效评定）和疲劳评定技术的评定方法（如SINTAP、R6、BS790）不同，API 579评定方法的特点是更多地反映了石油化工在用承压设备安全评估的需要。除此以外，API579还涉及了以下几个方面的评定方法，从而在很广范围内给出了在用设备及其材料劣化损伤的安全评估方法，而下列这些评定内容和方法在其他评定标准和规范中均未涉及。

（1）局部金属损失评定：本评定方法可用于评价因腐蚀、冲蚀、机械损伤或因缓慢磨蚀等原因引起的局部金属损失的构件。

（2）点蚀评定：本评定方法可以评价四种不同的点蚀类型：构件重要范围上的广布点蚀区域、位于广布点蚀区域内的局部减薄区、点蚀的局部区域以及被限制在局部减薄区的点蚀区域。

（3）鼓泡和分层评定：本评定方法适用于氢致鼓泡承压元件的评定。

（4）火灾损伤评定：本评定方法适用于评价受火灾损伤的构件。这种潜在的损伤包括：机械性能的劣化（如碳钢的球化、晶粒的生长和韧性的降低）、耐蚀性能的降低（如奥氏体不锈钢的敏化）和承压构件的变形和破裂。

API 579标准关于在用设备及其材料劣化损伤的安全评定大多提供了三级评定方法。类似SINTAP标准，评定过程采用逐级推进的形式，若低级别的分析足够用户证明安全，那就没有必要进行更高级别的分析。

3　我国缺陷评定方法研究进展

我国是从70年代开始压力容器缺陷评定方法研究的。1984年底，以中国压力容器学会和中国化工机械及自动化学会的名义发表了“压力容器缺陷评定规范CVDA－84”。该规范是以COD设计曲线为基础而制定的。80年代初，它基本适合我国国情，对于压力容器常见的失效方式，对脆断、疲劳及塑性失稳给出了较具体的评定方法，对应力腐蚀、蠕变及蠕变疲劳等评定也给出了一般性指导原则，已用于许多容器的失效评定，取得了巨大的经济效益。进入90年代，各国重点研究J积分失效评定图技术，CVDA显得相对落后，而且使用中也常暴露出保守性和单一性缺点。为此，我国“八五”攻关计划在压力容器断裂评定技术方面进行了大量的研究，取得的成果主要包括长屈服平台钢用J积分计算技术和失效评定曲线、焊接残余应力处理及相邻裂纹间的弹塑性干涉分析、壳体局部减薄凹坑的塑性极限荷载分析以及在役含缺陷压力容器安全评估规程（SAPV－95）中断裂评定的三级评定。国家九五攻关课题“在役工业压力管道安全评估与重要压力容器寿命预测技术研究”也已启动。这些课题的解决无疑也推动着我国含缺陷压力容器安全评定规范的重大发展。

在充分吸收国内外压力容器安全评定技术和规范的最新研究成果、紧密跟踪国际同类评定规范发展潮流、积极吸取我国CVDA－84规范之精华、密切结合我国十多年来压力容器安全评定工程实践经验基础上，经过近10年的进一步研究论证，中国又一部新的压力容器缺陷评定标准——《在用含缺陷压力容器安全评定》GB/T19624－2004诞生了。该标准为国家标准，于2004年12月29日正式发布，于2005年6月1日正式实施。这一标准集成了国内压力容器与压力管道安全评定的最新研究成果和工程实践经验，在诸多方面和技术上不仅形成了自己的特色，而且还具有下列所述的创新性。

（1）在总则中强调了“安全评定的一般原则”“失效模式的判断”以及“安全评定方法的选择”的必要性和重要性；在疲劳评定中充分考虑了评定方法的科学性、安全性和简便性。

（2）在断裂及塑性失效评定中采用三级评定的技术路线，并采用了国内首创的裂纹间弹塑性干涉效应分析法。

（3）在平面缺陷评定中，简化评定继承了国内CVDA—84的精华，比英国BSIPD6493—91的筛选评定方法更为先进和安全；常规评定方法采用R6第3修正版（1986）的通用失效评定曲线并选取了符合国情的分安全系数；分析评定采用EPRI—82工程优化方法，并有创新。简化评定与常规评定之间、常规评定与分析评定之间进行合理衔接。

（4）采用了“八五”重点科技攻关中处理二次应力的工程方法和首创的压力容器凹坑评定技术等最新成果。

（5）采用了“九五”重点科技攻关中用于压力管道周向面型缺陷安全评定的U因子工程评定方法和用于压力管道体型缺陷安全评定的含局部减薄缺陷压力管道塑性极限载荷工程评定方法等创新性研究成果。

该标准的实施，使国内在用含缺陷承压设备安全评定技术提高到了当代国际水平，为降低国内压力力容器与压力管道灾难性事故率提供了有效的技术手段。但应指出，该标准的主体是在1995年前的“八五”科技攻关中完成的，距今已十几年了。近十年来，国内外在结构完整性评定技术方面，无论是深度还是广度都有了很多新的发展。该标准还应与时俱进，争取再版时得到进一步的完善和提高。

4　缺陷评定研究重点和发展趋势

4.1　断裂力学在缺陷评定中的应用

在压力容器及管道的缺陷评定过程中，由于缺陷形状的简化、工作载荷随机性、工况复杂性、材料断裂韧性的分散性和计算断裂韧性测试标定公式的不完善性等等因素将影响安全评定的精确度，如果要计算这些不确定因素就需要引进基于概率理论的缺陷评定方法。目前概率断裂力学在缺陷评定中需要解决的主要问题及研究进展如下。

（1）数据不足问题：可用数据缺乏是目前阻碍概率断裂力学在工程界中推广应用的一个主要问题，需要不断收集数据，改进分析整理数据的方法，概率断裂力学所依据的数据资料必须具有代表性。常莉莉采用多试样法则测定了SM490B钢焊接接头在－20℃及－40℃下，焊缝金属、母材及热影响区以COD表示的裂纹扩展阻力曲线，得到了该焊接接头的表观开裂COD（δ_i）和条件开裂COD（δ_0.05），为使用者提供了断裂韧性数据。俞树荣采用模糊聚类方法，确定了在用压力容器缺陷评定中断裂韧度的待用数据，结果与实验数据相符，且与其他选用原则和确定方法的结果一致。

（2）模型中参量问题：从理论上讲，载荷与材料特性参量需要采用依赖于时间与空间的随机过程来表述。为了简单，目前均采用随机变量模型来表述，其原因是缺乏有效计算依赖于时间的断裂概率问题。因此需要发展依赖于时间与空间的随机过程模型，将它用于载荷、材料性能；发展在静态、准静态与动态加载下，计算依赖于时间的断裂概率的方法；发展由于疲劳、腐蚀、开裂、表面剥落、分层等造成的已损伤结构的阻力模型。然而该方面的研究及报道甚少。(www.xing528.com)

（3）安全判据问题：关于安全判据，目前主要研究的是构件断裂状态或临界状态。如朱乃龙应用统计断裂理论，用分币裂纹模型模拟材料中的缺陷，通过用裂纹面的法向矢量反映材料中裂纹面的随机取向，用等效应力代替实际应力状态的破坏效应，提出了多轴应力状态下脆性材料统计断裂的判据。由于系统临界状态的确定涉及多判据的研究与多判据或多临界状态的优化问题，人们对系统安全判据领域研究甚少。

（4）计算断裂概率方法：目前计算断裂概率的有效方法是一次二阶矩法与Monte Carlo模拟法。在这方面研究的主要内容是改进目前计算可靠度的方法，通过对验证临界失效模型的有效方法的研究，研究多判据情形下一次二阶矩法；研究更适合力学现象的断裂失效模型；特别针对包括非线性情形下大型复杂结构系统的参数敏感性分析方法，从而系统有效地处理敏感性指标。目前国内已有一些研究，陈国华结合CEGB－R6含缺陷结构双判据失效准则，对给定尺寸的缺陷，考虑相关评定参数的不确定性，建立了含缺陷结构失效极限状态方程，再利用解析方法（设计验算点法和当量正态分析法）与数值模拟方法（MonteCarlo方法）对含缺陷压力容器失效概率进行了分析；武淮生等讨论了在利用解析形式的R6进行完整性评定时常遇到的问题，提出了一种简便而有效的概率断裂力学评定方法；骆红云等人对多个厂家、多种炉号、多种板厚的4种国产钢种、5种裂纹形式的失效评定曲线进行了概率分析，采用了三段分析法和逼近法得到了不同可靠度下的4种国产钢的概率失效评定曲线及其表达式，以及一些长屈服平台国产钢在不同可靠度下的一般失效评定曲线及其表达式，运用这些表达式可实现适合我国国产钢种含缺陷构件的工程概率安全评定分析。

4.2　模糊断裂力学在缺陷评定中的应用

传统的断裂力学研究是以确定性事件为前提的，然而工程结构存在着大量的不确定性，而这种不确定性可分为随机性和模糊性。随机性可以用概率断裂力学方法处理；模糊性是由事物变化的中介过渡造成的，用模糊数学方法来研究实际工程中压力容器安全评定所依据的事件是具有模糊性的非确定性事件。采用模糊数学方法对这些工程上的实际问题进行模糊分析，将会大大提高压力容器安全评定的可靠性。龙伟等人针对压力容器的平面缺陷的塑性与断裂评定，将评定点与通用失效评定曲线（FAC）的最小距离，转化为模糊程度因子，并根据模糊评定的隶属度，建立模糊评定模型，从而得出压力容器平面缺陷的失效与安全程度。进而采用综合评定方法可对容器整体缺陷的失效与安全程度进行评定。该评定方法的结果直观、准确、可靠，也可以用于类似对象的评定与控制。丁克勤、傅惠民对缺陷检测尺寸的表征方法进行了研究，提出了缺陷尺寸的模糊表征方法，然后建立了裂纹尺寸模糊表征下的含缺陷压力容器R6评定方法。该方法不但可以对压力容器进行高模糊可靠度的安全性评定，而且还可以将不同检测人员检测出的不同的缺陷尺寸进行数据融合，得到了与R6一致的评定结果，使其更加准确合理。

4.3　智能方法在缺陷评定中的应用

压力容器的失效模式不仅具有模糊不确定性，而且具有高度非线性，是多种因素综合影响的结果，可以引入人工智能技术来解决此类问题。目前智能方法的应用越来越集中于人工神经网络技术的运用。人工神经网络是近年来发展起来的一门交叉学科，该技术能处理高度非线性问题，具有自学习、自组织能力。实验证明，引入神经网络技术，以成功的评定案例为基础，运用人工神经网络进行压力容器缺陷评定是可行的，可以预测缺陷的安全裕度。如顾玉钢等人利用16MnR钢CT试样实测数据进行网络训练，训练好的神经网络可以对该材料的疲劳裂纹扩展速率进行较为精确的预测；李尔国，俞树荣等人在该领域做了相当多的研究工作，如采用模糊推理与人工神经网络技术相结合的人工智能方法进行了压力容器失效模式的预测；结合模糊聚类方法与人工神经网络技术进行了压力容器安全评定可靠度的模糊分析；采用人工神经网络与失效评定图相结合的方法对压力容器进行安全评定等。

4.4　疲劳评定及寿命预测研究进展

疲劳评定及寿命预测目前主要有两种方法：一是以美国的ASME评定规范为代表的低周疲劳曲线评定法。这种方法比较成熟，应用很广泛，使用简单易于理解，但它以实验数据为基础，要求大量的实验，成本较高。一是损伤容限评定法，这种方法是通过裂纹疲劳扩展率来计算疲劳寿命，应用也很广泛。

疲劳评定作为缺陷评定的一部分，已成为当今世界研究的一个热点，焊接接头疲劳评定的“局部法”（local approach）是近年来疲劳评定研究的重要方向。“局部法”的基本原理是采用与疲劳断裂直接相关的应力集中区域应力场的“局部参量”作为疲劳断裂的控制参量，建立具有普遍适用性的“局部参量”与循环次数N表示的S－N曲线，据此进行疲劳强度和疲劳寿命预测与评定。由于“局部法”包括焊接接头局部焊缝几何细节等因素，因而更能反映焊接结构疲劳断裂的实际情况，受到国际焊接学会和工程界的普遍重视。国内杨新岐等人采用“局部法”对焊接接头进行了疲劳评定。目前已发展了多种疲劳评定的局部方法，如缺口应力强度因子法（N－SIF）、等效应力强度因子法（E－SIF）、临界距离法（CDM）：包括点（PM）、线（LM）、面（AM）和体积法（VM）、临界面法和包括应力梯度的体积法等。

5　结束语

随着数学、力学、计算机技术等学科在压力容器缺陷评定技术中的应用和发展的不断深入，国际上按“合于使用”原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定越来越走向成熟，世界各国形成了相应的规范和标准。然而，由于工程问题存在大量随机性、模糊性、高度非线性问题，以及作为缺陷评定理论本身的不完善性和尚未探索性，压力容器的缺陷评定工作依旧是任重而道远。加强概率断裂力学和模糊断裂力学在缺陷评定中的运用研究、进一步明确疲劳机理和寿命预测指标以及实现缺陷评定的人工智能化对缺陷评定技术的发展意义深远。

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