含缺陷焊接压力容器和管道概率安全评定的分项系数方法

1 2 焊接1 9 9 9 ( 8 ) 染和压痕 ， 可 以获得较 好 的表 观 质量 。这 表 明表 面采 用高 低能双重 等离 子体 授 没离子 注 入与 氮化工 艺 强 化 L Y 1 2焊头是完全可行 。 4结 论 利用高能和低电压等离子 体浸没 离子注入 与氮化 复合 工艺可 以有效 地强 化 L Y1 2硬铅 焊头表 面 的摩 擦 学特性 ， 从而使焊头在工作 中的磨损率下降。一方面 使焊头 自身 的损 伤减小 ， 另一 方面也 为获 得 良好 的产 品表观 质量提 供 了保证 。 目前 的实 验 表 明， 尽 管采 用 了注入与氮化复合工 艺 ， 较 单纯 的氟的注 入效果 明显 。 但焊头表 面硬 度仍 然较低 ， 这是 由于铅 的难于 氮化 无 法形成较厚 的改性层所 致 。下一步 的研究 拟采用 电镀 和氟离子注入复合处理 J 以提高其膜基结合力及在 表 面形成耐磨硬化相 C r N， 或采 用 M E W A金 属等 离子 源对焊头端面 进行金 属 离子 注入 与沉 积处 理 ， 使铬 与 基体铅的过渡平滑 。 以减小材 料 的物 理和化 学失 配 ， 从 而得到耐用而不对 工件造成 污染 的焊 头。 1 田修 波、 扬 士勤 ( 5 ) 2 扬士勤、 田修波 ( 5 ) 参考文献 聚乙烯 医疗 器具的超声 波焊接 焊接， 1 9 9 g 国外焊机使用 中的焊 头设计 电焊机 ， 1 9 9 6 3 汤宝寅 等离子体源浸没离子注人技术( I ) 物理 1 9 9 4 ( 2 ) 4 汤宝寅等 用于材料表面改性的多功能等离子体浸没离子注 人装置 物理 ， 1 9 9 7 ( 6 ) 5 汤宝 寅等 ，电 镀 铬 层 的等离 子 体 浸 没 离 子 注 人 焊接 学 报 ( 增刊) ， 1 9 ( I ) ( 收藕 日期1 9 9 9 o 5 1 0 作者筒 舟 ： 田修 波 ， 1 9 B 9年 生 硕 士 ， 讲 师。 含缺陷焊接压力容器和管道概率安全评定的分藤数方法 ( ； ) I 南京航 空航天 大学( 2 1 0 0 1 6 ) 天 津 大 学( 3 0 o 0 7 2 ) 张玉风 摘要以一扶二阶矩理论 为基础， 建立 了台缺陷焊接 压力窖善 嚣 和管道概率安垒评定的分顼 系数方法 ，方法简 便实用 ， 计算精度较高， 对 于焊接工程压力容器和管道的概率安全评定 ， 具有较高的使用价值和应用前景。 N a n j i n g U n i mi q o f A e ron a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s I j u Mm 哪 n Un i v e mi r y H I 砸 I - g，2 n g Yu f e g b 螂 0 nt h e t r a t a n d 她 ， 缸 h s e t印 碰 啊 捆 e 鞋 啦 l I 【 d e d * H 胂 弛蚺 e 】 吕a a d曲瑚 l I | c r a c k s T 1 e me d 0 di s 叫e ，a u u c x a t e a n d叩l 虹 a b l e J l g 曲 g “c 岫 国家 白然科学 基垒赞 助项 目， 项 目翁号5 鲫 敏爵 一 立一 刘一 霍一 一 b 气 哪 胁 哪 构 日 ，蓑 1 呦 中 维普资讯 焊接1 9 9 9 ( 8 ) l 3 0前 言 含缺 陷结 构可 靠性 ( 或失 效概率 ) 的计算有 两类 方 法 。一类是能精 确计算结 构失效 概率 的全 概率计算 方 法 。进 行这种计算分 析需 知道影 响断裂诸 参量 的联合 概率密 度分 布 ， 求解复杂 的多维 积分 ， 多用 于特别 重要 的核容器及管道 的失 效概率计 算u j 。对 于一般工程 焊 接压力 容器 及管道 的概率 安全评 定 ， 由于方法 复杂 ， 计 算量大 ， 难 于普及 推 广。另一类 是具 有一 定 近似程 度 的一次二阶矩方法 n J ， 虽然 计算精 度稍差 ， 但 由于计算 简便 ， 而得 到工程 界 的广泛 应 用。这类 方法 因为也 要 事先提供随机 变 量的不 确定性 信 息 ， 工程 技术 人员 使 用起来 仍显不 便 。鉴此 本 文 以一次 二阶 矩理 论 为基 础 建立 一种 形式 上 与传统 的结 构安 全系 数设 计方 法 类似 、 使用 简便 的概 率安全 评定 的分项 系 数法 。该方 法仍使用传统 的含 缺 陷焊 接结 构 的安全 评定 准则 ， 但 在使用 中视各 断裂 参量 为随 机变 量 ， 并 乘 以一 十 分项 系数 ， 使 之能反 映含 缺陷焊 接结 构 的可靠 性 和各 变量 的统计变异性。 1 基于 RF一次二阶矩理论的分项系数方法 定义结 构 的失 效 函 数 ( 或 极 限状 态 函 数 ) Z=g ( ) ， X=( 1 ， ， ， ) 为基本变量， 置( i =l ， 2 ， ) 为随机变量。Z 0表示结 构安全； Z曼0表示结构 失效。结构的可靠性指标 卢= 吒， 和 分别为 z的均值和标 准差 。当 z服从 正 态分 布 时 ， 口与结 构 的失效概率一一对应 ， 即： p ， = ( 一卢 ) ， ( ) 为标准正 态分布函数 。 的值 越高 ， 则结 构 的失效概 率越低 ， 结 构的可靠度越 高 。几 何意 义上 ， Z=g( )：0为一失 效超 曲面 ， 卢是 中心点 】I f ( 以 的均 值为 坐标 的点 ) 到 位于是失 效超 曲面 上距 】I f最 近的点 P( 失效 点 ) 的距 离。 根据 RF一 次二 阶矩 方法【 ， 对 失效 函数 z= ( ) ， 失效点的方向余弦为 ： 曼 蓝l I a 噩=一 i =一 ( f =l ， 2 ， n ) ( 1 ) z ( 轰l ) 则失效点为： = 以 口 ( =l ， 2 ， n ) ( 2 ) 进一步可写为 ： = 1 卢 - ( 置) ( =l ， 2 ， n ) ( 3 ) 式 中 C m( 置) 和 分别为 置 的均值、 变异系 数和标 准差 。 令： ( X i ) =1 卢 - C m( 玉) ( i =l ， 2 ， n ) ( 4 ) 称 ( 置) 为变量 置 的分项系 数。它即与结 构的可靠性 指标有关 ， 又 与随机 变量 的统计 参 数有关 。将 由 口和 C m( 置) ( =l ， 2 ， ， ) 而确定的( ( 1 ) ， ( X 2 ) ,u x 2 ， ( 五 ) X m ) 代人 Z=g( ) ， 根据 z的值就可 判断结 构在给定可 靠性 指标 卢和 C o y ( 置)( i ：l ， 2 ， ， n ) 下的安全性 。 2 失效 函数 的选择与 分项 系数 的确 定 2 1 失效 函数的选择 本 文 以 WE S一2 8 0 5标准 3中的断裂判据建立含 缺 陷焊接压力容 器及管道 概率 安全 评定 的失效 函数 即 ： f 一 2 y ( )E l Z = g ( ， a ， E ) ： ( 5 ) 【 一 r ( 3 5 一 1 5 ) E l 式 中 结构材料 的断裂韧度 n 结构 中存在 的当量缺陷尺寸 作用在缺陷部位处的应变 结构材 料的屈服应变 2 2分项系数 的确定 【 1 ) E l 由 Z=g ( 以， a ， ) = 一2 ， 按式 ( 1 ) 可得 ， 口 和 E的方 向余弦 ： O “8 一 i 2E - 2 a - ( 6 ) 慨+ 4 ( E O “a ) + 4 ( 口 - ) 式 中( *， *， *) 为失效 点。设 ( ) 。 ( 。 ) 和 ( ) 分别为赴， a 和E 的分项系数 ， 由于失效点( *， a* ，E *) 在失效边界上 ， 因此有： g ( ， 口 ， E ) =0 ( 7 ) 将式( 4 ) 代入式( 7 ) 有 ： ( ) 碱 = 2 ( 。 ) ( ) ( 8 ) 令： = ( 9 ) 式 中 为待定 常数 ， 代入式 ( 6 ) 有 ： 维普资讯 w w w . b z f x w . c o m 1 4 焊接1 9 9 9 ( ) 一 ao = c 鲫( 占 ) + 4 ( e ) - C o ( a ) + 4 ( n ) - ( e ) 2 声 ( e ) c 钿( 口 ) ) 4 ( e ) c 钿( n ) + 4 ( a ) ( e ) 2 ( n ) - G ( e ) ) + 4 ( e ) - ( ) +4 ( 。 ) ( e ) r ( ) ；1 +C o y ( 乱) 卢 于是 ( a ) =1 +C o o ( a ) 8 口 ( 1 1 ) L ( e ) =1 +C o y ( e ) 口 首次 求解 时 ， 可令 a=2。 ( )=1 ， ( 0) =l 和 ( e)=i ； ( ，口 ， e ) 为 ( ， ) ， 由式 ( 9 ) 、 ( 1 o ) 和( 1 1 ) 经过迭代求解 ( 8 ) 、 ( n ) 和 ( e ) ， 直到前 后两次计算值差的绝对值小于规定的值。 ( 2 ) e e 1 当 e e i时 ， Z=最 一( 3 5 e e 一1 5 ) 2 。此 时令 e =( 3 5 e e 一1 5 ) e 2 ， 则 乱， 和 e 的分项 系 数 的计算与 e e 1时的相 同， 不同 的是 和 c 0 u ( e ) 要 用 ， 和C o u ( e ) 代 替 ， 亦 即用式 ( i 2 ) 计 算 和 C 叫( ) 。 = ( 3 5 一i 5 e ) ， 2 = 3 5 2 ( 1 2 ) ( e )= 3 算 倒 下表是 可 靠 性 指 标 卢=2 7 ， 即 失 效 概 率 = 0 0 0 3 4， 以 ， 口和e 服 从 正 态 分 布 ， 变 异 系 数 分 别 为 分项 累数的求解过程 ( i o ) O 3 i ， o i 4和 o 1 5 ， 以 wE s一2 8 0 5断裂 判据 为失 效 函 数的分项 系数 的迭代 求 解 过 程。从 计 算 过 程 可 以看 出 ， 该求解过程 的收敛速度是 很快 的 。 只经 过 四次迭 代 分项 系数基 本 稳定 可见 该 方法 的解 题效 率 是相 当高 的。如已知某焊 接结 构 中含有 裂纹 ， 其 深度 的均 值 ：4 8 m n ， 裂纹处的应变的均值 = 0 0 0 0 8 2 6 ， 将表 中的分项系数 以及 和 E的均 值代 人 式 ( 7 ) 可得 到 该 焊接管道 结构 在 保证 失效 概率 不 小 于 0 0 0 3 4的条 件 下 ， 其 断裂韧 度 的均值最 小值 为 0 0 4 6 6| n 。用 以 上数据经基本 Mt e c a d 0 方 法 l 驴 次随机模拟 ， 得到结 构的失效 概率 为 0 0 0 3 4 2 ， 与算例 给出的失效 概率 P f = 0 0 o 3 4相 差 0 O O O O 2， 可见该 分项 系数方 法 的计算 结 果 具有相 当高 的计 算 精度 ， 且 计算 简 便 。对 含 踺陷 焊 接 压力容器及管道进行 概率 安 全评定就 如同使用 传统 的 结构安全 系数设 计方 法一样 方 便 ， 因此分 项 系数 方 法 是一种 易在工程 界普 及推 广的概率 安全评定方法 。 4结 论 本文基于 RF一 次二 阶矩 理论 建 立 的含缺 陷焊 接压力容器 及管 道概率 安 全评 定 的分项 系数方 法 。 计 算结果 可靠 ， 计算精度 较高 ， 且 应用 方便 ， 适用性 较 强 ， 工程技术人员 易 于接受 ， 是 一 种较 有价 值 的古 缺 陷焊 接压力容器及管道概率安全评定方法 。 参考文献 1 P J W n曲 a b i l F I 8 c h l r e 岫 a n d Re l Nl i t y M N 雠n 如 I r e c l I ， 岫 1 9 g 7 2 A M，I i n d N CAn E 删 h 舢I 【n喊 一 oI d e r R e