高温环境下在用压力容器检测与安全评估技术研究进展（二）———评估方法

“十 五” 攻关 高温环境下在用压力容器检测与安全评估 技术研究进展 （二） 评估方法 华东理工大学化机所轩福贞涂善东王正东罗娜 摘要：综述了近年来国内外高温环境下在用压力容器缺陷检测技术、 高温材料数据库及其安全评 估方法的发展状况， 内容分为检测技术及材料数据库和评估方法两部分。本部分介绍了世界上现 有的高温环境下含缺陷结构完整性评定方法和规范， 包括： 美国 !“#$ % A?BCDFJFKE ?25 7 A$“%!? /$% 4+%, B25C D$“%, 4+%,E?F 5 2G-0*#0： L =?C C ;D=3 ?RQC，O;=CD?;JFJFKE GFD ?K =COTCD;=QDC TDC?RQC ;P O;=CD?;JFJ3 FKEU L =?C?K =COTCD;=QDC ;DC ?=DFPQHCP，?HJQP?K !OCD?H; !“#$ % P ,“)-./， =C 4DCH !.0 ;P =C VCDO; =MF HD?=CD?; OC=FP，;P =C =?OC PCTCPC= G;?JQDC ; C=HU 1C?D ;PB;=;KCFD=HFO?KC GQD=CD DC CGGFD=?; ;DC ;J?K =COTCD;=QDC；F PC?RQC 建立便于工程技术人员应用的高温环境下结构 完整性评定方法， 是进行高温结构安全保障技术研 究的最终目标。工业发达国家有许多大型石油化工 厂、 电厂已超过设计寿命， 出于剧烈竞争的需要， 希 望延长工厂的寿命以降低成本， 因此很早就开始了 对高温构件延寿和设计方法的研究， 国际上通用的 设计规范是美国机械工程师协会规范案例 !“#$ % ?%$“9 所采 用 。4$ 规程的主要特色之一就是采用参考应力 来估算裂尖参量 !， 这里参考应力被定义为： “$%;?的高温构件， 蠕变是主导失效 机制， 而石化工业中设备的工作温度多为 ; 6;?， 56 规范能否适用于该温度范围还需要进一 步完善。 英国的 *A2=.; 规范 英国标准 *A2=.; 是在 9B4C= 含缺陷焊接结构 评定规程的基础上发展起来的， 并作了相应的补充 和修改， 其中最引人注目之处就是增添了高温下的 缺陷评定内容 （第 = 章） ， 这一章主要吸收了 *A46= 中的高温缺陷评定技术 3 ， 因而 *A2=.; 规范几乎涵 盖了含缺陷结构的所有失效模式， 尽管该规范最初 目的是针对于含缺陷焊接结构制定的， 但实质上也 适用于非焊接结构的评定。 规范特别指出处理焊接接头 （尤其是再热裂纹 存在的情况下） 时需要注意母材、 热影响区和焊缝处 的蠕变强度、 裂纹扩展率及断裂韧性都不同， 当裂纹 处于不同位置时应该采用相应的材料性能， 并且专 门安排了一个附录 D 处理残余应力的分布及计算。 在疲劳载荷的处理上， *A2=.; 提出首先要进行 相应的应力分析， 用以验证疲劳载荷导致的裂纹扩 展是否可以忽略， 其次需要检查疲劳载荷对蠕变裂 纹扩展的影响程度， 如果不能忽略其影响， 则可以采 用二者加和的方式进行处理。 *A2=.; 的一般评定规程如下： 采用常温下的弹 塑性断裂力学方法和初始缺陷尺寸进行断裂评定； 采用初始裂纹尺寸确定结构的蠕变破断寿命； 确定 裂纹扩展速率并估算以后运行期间内的裂纹扩展 量； 核对作用在裂纹尖端的稳定蠕变条件， 如果不符 合则需要修正估计的裂纹扩展速率； 确定每一阶段 终了时的裂纹尺寸； 采用常温下的弹塑性方法和每 一个阶段终了时的裂纹尺寸进行快速断裂评定； 如 果在正常寿命期间内的裂纹扩展量不会导致快速断 裂， 则不需要进行修复； 如果对应于快速断裂的寿命 裕度不能满足， 则需要弄清楚何时能够保证足够的 安全裕度， 以及何时需要修理。 C法国的 !.4 规范 C !.4 规范主要应用于高温环境下的核反应器， 规程中把结构失效分为蠕变破坏是主导机制和非主 导机制两种情况。对蠕变主导机制情况， 其评定步 骤按照蠕变裂纹的发展过程分为起裂、 循环载荷下 的扩展以及由于韧性和蠕变导致的裂纹失稳三个阶 段， 并针对每一阶段都提出了基于断裂力学的评定 步骤和规则。裂纹起裂阶段的分析采用了#简化 方法 .E ， 这里#定义为距离裂尖 的应力， .4F 奥 氏体不锈钢可以取 / ;的简化方程计算 “ #/“12 期压力容器总第 = 期 所讨论的裂纹最终尺寸， 必须保证避免结构发生韧 性和蠕变裂纹失稳及垮塌失效。 此外， !“# 还包括了缺陷尺寸的定义、 应力强度 因子解和极限载荷手册、 简便的 ! 积分估算和相关 材料性能确定等方法。 图 “ 蠕变疲劳交互作用图 $德国的双判据方法 $，“% !:） 近期在新版 92高温环境下在用压力容器检测与安全评估技术研究进展 （二）98*“=?8“- ,-, 础上给出的 （见图 !） ， 它涉及到与失效评定曲线有 关的两个参量 !“和 #“以及一条截止线 #“#$。 图 ! % （ , -)#4:? AB1A） 也是从 *% 的选择曲线 * （C;8) *） 推导 出的， 与上面基于应力的 AB1A 相似， 综合方程 （-*） 和方程 （-7:44M7: N:44:L O6?:，4:O8263 PPP, OL#44 P O6“;63:384 23 :L:N#8:? 8:“;:7#8M7: 4:7N2O: = Q J6?: J#4: R2L28 6K KL#54 23 KM4263 5:L?:? 487MO8M7:4 = Q Z63?63；=P，-DDDQ（下转第 -* 页） 0 第 -D 卷第 - 17+;2+,-;: ?7.8-;2-. (+A+B-3-2C D57 E.+;257 ?-A-,F G ，: E.:.+7; (57A57+2-5, / ， /-;-F+,，OQ.7-;+,，)II%0 R O/9 S5-3.7 +,8 ?7.:+,8+7- 0 H.D.;2 +:.:= Q.,2 A75;.8 +AA75+;G 0 O/9 ?T? )IIN； !RR：)N M )K0 % 96+38 G，*.-.,B57325,，/0E0 (.3+78， +,;. 5D 8.D.;2: -, ;5Q= A5,.,2: 5A.7+2-,F +2 -F 2.QA.7+258 D57 Q.+: 7+2.: -, Q.2+3: 0 ?-3+8.3A-+：OQ.7-;+, 5= ;-.2C D57 4.:2-,F +,8 /+2.7-+3:，)IIK0 )# ;6+3B. *V，O-,:6572 EO，+.,+ O，5W5B57- 40 E.;= 5QQ.,8+2-5,: D57 + Q58-D-;+2-5, 5D O4/ 9)L%J 25 -,;3 )III，R!： )!N M )L!0 ) O-,:6572 EO，S. +QA3-2. D-.38: G 0 1+2-F58 B+:.8 5, :27.: .+3. .3+:2-; :27.: D-.38 ,.+7 2. 2-A 5D + B3.:-: .-F ,-.7:-2C，.-F0 )L 96+38 G，.,F 0 4. 265 ;7-2.7-+ 8-+F7+Q D57 ;7A ;7+;W -,-2-+2-5, +,8 -2: +AA3-;+2-5, 25 +, -A M 2 4.QA )IIK，)%：!K) M !KK0 )% G0 96+38，0 .,F，O0 *3.,W +,8 Y0 ;.33.,B.7F0 9,= F-,7-,F F +,8 0 90 S5520 H.3= 5AQ.,2 +,8 . E% A75;.8. +:.:Q.,2 5D 8.D.;2: -, -F 2.QA.7+2 )9)$ )9)$ )9)9); )9)( )9); 试板 ;)9)*)9)% )9)() )9;%)9*;9;$)9*=)9;)9)= )9)$ )9)$ )9()9); )9) )9)( 试板 )9)=)9) )9)() )9(=)9=);9%(9) )9)$ )9)$ )9()9); )9) )9); 母材)9(%)9) )9)*)9)=)9$;9; )9)$ )9)$ )9)%)9) )9); )9);)9): 表 ()焊缝金属回火脆性参数计算值 试板编号 !“#$% （?） !“#$% （?） !“#$% % : ( 试板 = ;) 试验结果讨论 （(） 由表 * 得出：三对试板的焊缝熔敷金属化 学成分虽都满足 6,/A +BCA +6,A ;)*= ; 规定要 求， 但试板 ( 焊缝金属中有害元素 ,、 - 含量偏低， “ 系数也最小， 因此提高焊缝冲击韧性， 降低了脆性转 变温度， 提高了抗回火脆性； （;） 由表 $、 表 得出： 在两种热处理状态下， 试 板 ( 焊缝的常温与高温强度均高于其它两对试板， 与母材强度比较接近， 试板 ( 焊缝金属中强化元素 +#、 /1、 2、 /0 含量稍高， 因此适当提高了焊缝的强 度。试板 ;、 试板 的焊缝经 /DE-FG“ 处理后， !# 值较接近于强度要求的下线， 试板 焊缝在%=;?高 温下强度!#富裕量较少。从强度考虑， 试板 ( 的焊 缝在实际使用过程中最安全可靠。 （） 由表 : 得出： 三对试板所有试样的冲击功均 满足技术条件要求。试板 ( 焊缝中有害杂质元素 少， (=?冲击韧性最高， 远远高于 $%H 的要求。 （%） 由表 () 得出： 试板 ( 焊缝抗回火脆性最好， 其中 !“#$%?为 %*?， 经阶梯步冷处理后脆化转变 温度 增 量!“#$%? 为 %?， 完 全 满 足 !“#$% 、 试板 焊缝也满 足上述要求， 但与试板 ( 焊缝相比回火脆性转变温 度分别要高出 ;%?与 (:?。 （$） 由表 = 得出： 三对试板焊接接头三区硬度值 GI()均低于 ;)。 %结语 三组埋弧自动焊焊材在相同焊接与热处理试验 条件下， 焊缝金属的化学成分及综合力学性能均满 足技术要求。但试板 ( 焊接时脱渣容易， 焊道成型 美观， 各项力学性能均优于试板 ;、 试板 ， 尤其是抗 回火脆性最好。因此 J, $;(G （焊丝）9;$+# (/1 )9;$2 钢制造加氢反应器 中埋弧自动焊的首选焊材， 这已经在产品模拟环制 造中得到了验证。 收稿日期： ;); ) (* 作者简介： 夏源健， 女， (*$ 年生， 工程师， 主要从事压力容器 的焊接工艺与试验。通讯地址： 兰州石油化工机器总厂炼化 设备公司技术部， 邮编： :)$)。 （上接第 (; 页） (: LM 6M 6.07N1#OP，CM QM G11O10 D0R CM Q#SS0M KD.83#S D77S77TS0O R.DU#DT7 V1# P.UP OSTWS#DO3#S RSVSXO D77S77TS0O H MA0U.0SS#.0U K#DXO3#S /SXPD0.X7，(*，; （(） ：*$ ()*M (= L 677S77TS0O 1V OPS .0OSU#.OY 1V 7O#3XO3#S7 X10OD.0.0U RSZ VSXO7, M -#1XSR3#S L LS!.7.10 %，Q813XS7OS#，J： 43X8SD# A8SXO#.X OR，;)M (* ,T.OP CH，K11S7 6H，CSD0 CF，DT5 /M CS!S81WTS0O 1V D 7#OD.0 5D7SR K6C V1# W#SR.XO.10 1V X#SSW X#DX.0U .0 NS8R7 + M -#1 0O +10V 0OSU#.OY G.UP “STW FS8R7，41OZ O.0UPDT (*=：$ :)M ;) 6.07N1#OP，L6M “PS 37S 1V D VD.83#S D77S77TS0O R.DU#DT V1# .0.O.DO.10 D0R W#1WDUDO.10 1V RSVSXO7 DO P.UP OSTWS#DO3#S7 H M KDOM K#DXOM A0U0UM /DO#SM ,O#3XOM，(*，( （()） ： ()*( ()=M ;( 涂善东， 凌祥M 高温构件延寿的力学基础研究进展 H M