压力容器缺陷评定研究进展

第4 6卷第4期 2 0 0 9年 8月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N TP I P I N G Vo 1 4 6 No 4 Au g 2 0 0 9 压 力 容 器 压 力容器缺 陷评定研究进展 李俊菀 ， 陈志良 ， 淡勇 ( 1 西北大学化工学院， 西安7 1 0 0 6 9 ； 2 西安市特种设备检验检测院， 西安7 1 0 0 6 8 ) 摘要 ： 介 绍 了压力容器缺 陷评定技 术 国际最新进展及 国内最新成果 ，综合分析和评述压力容器缺 陷评 定的发展 趋势及评定方法所应用理论的研究重点。欧洲委员会提出的S I N T A P评定方法和美国石油学会提出的 A P I 5 7 9评 定方法代表着国际上结构完整性评定技术的发展前沿； G B T 1 9 6 2 4 -2 0 0 4为我国压力容器缺陷评定的最新成果； 断裂力学、 智能方法、 疲劳评定及寿命预测技术依旧是缺陷评定的研究重点和发展趋势。 关键词：压力容器； 缺陷评定； 进展 ； 趋势 中图分类 号 T Q 0 5 3 2 文献标识 码 ： A 文章编号 ：1 0 0 9 - 3 2 8 1 ( 2 0 0 9 ) 0 4 - 0 0 0 1 - 0 5 De v e l o p m e nt o f De f e c t As s e s s me nt f o r Pr e s s ur e Ve s s e l LI J u n - wa n ， CHEN Zh i - h a n g ， DAN Yo n g ( C o l l e g e o fC h e m i c a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h w e s t U n i v e r s i t y ， X i a n 7 1 0 0 6 9， C h i n a ； 2 X i a n S p e c i a l E q u i p m e n t I n s p e c t i o n I nst i t u t e ， X i a n 7 1 0 0 6 8 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ，t h e n e w e s t d e v e l o p me n t w o r l d w i d e i n d e f e c t a s s e s s me n t f o r p r e s s u r e v e s s e l a n d t h e n e we s t a c h i e v e me n t s i n t h i s fi e l d i n C h i n a w e r e i n t r o d u c e d T h e t r e n d i n d e v e l o p me n t o f d e f e c t a s s e s s me n t f o r p r e s s u r e v e s s e l a n d t h e t h e o r i e s u s e d i n t h e a s s e s s me n t me t h o d w e r e c o mp r e h e n s i v e l y a n a l y z e d a n d e v a l u a t e d S I N T AP me t h o d p r o p o s e d b y Eu r o p e a n C o mmi t t e e a n d AP I 5 7 9 me t h o d p r o p o s e d b y AP I r e p r e s e n t t h e fr o n t i e r o f s t r u c t u r a l i n t e g r i t y a s s e s s me n t t e c h n o l o g y Ho we v e r G B T 1 9 6 2 4- 2 0 0 4 i s t h e n e w e s t a c h i e v e me n t o f d e f e c t a s s e s s me n t for p r e s s u r e v e s s e l i n o u r c o u n t r y I n t h i s f i e l d，fr a c t u r e me c h a n i c s ，i n t e l l i g e n t me t h o d， f a t i g u e a n a l y s i s a n d l i f e p r e d i c t i o n a y e s t i l l t h e i mp o r t a n t a s p e c t s i n r e s e a r c h a n d t h e d e v e l o p me n t Ke y wo r d s：p r e s s u r e v e s s e l ；d e f e c t a s s e s s me n t ；p r o g r e s s ；t r e n d 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。尤其在近 1 O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 C O D 曲线 ， R 6和 E P R I 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。 1 国际上缺 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“ 合乎使用” 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 ； 在深度方面 ， 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 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 2 - 3 0 作者简 介： 李俊菀 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 福 建泉州人 ， 硕士研究 生。从事化 工容器及管道 的设计及安全性分析。 w w w . b z f x w . c o m 2 化工设备与管道 第4 6卷第 4期 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， I n t e r - n a t i o n a l J o u r n a l o f P r e s s u r e V e s s e l a n d P i p i n g 期 刊于 2 0 0 0年发表了题为“ 缺陷评定方法” 专刊 ， 介绍了国 际上十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 S A P V 一 9 5 。而在该领域 内以欧 洲委员 会 于 1 9 9 9年 完成 的 S I N T A P L 1 评 定 方 法 ( S t r u c t u r a l I n t e g r i t y A s s e s s m e n t p r o c e d u r e ) 和美 国石 油学会于 2 0 0 0年颁布的针对在用石油化工设备的 AP I 5 7 9( R e c o mme n d e d P r a c t i c e f o r F i t n e s s f o r S e r v i c e ) 最具代表意义。 1 1 S I N T A P评定方法 S I N T A P程序提供两种评定方法 ： F A D( F a i l u r e A s s e s s me n t D i a g r a m)方 法 和 C D F( C r a c k D r i v i n g F o r c e ) 方法。F A D的关键是失效评定曲线 厂 ( L ) ， 只 要评定点( ， K ) 落在 F A D图的安全区内， 则缺陷 就是安全的。C D F是直接按 J J 的判据来进行评 定的， 但裂纹推动力 ， 的计算规定应按失效评定 曲 线 厂 ( ) 求得 ， 因此尽管 C D F法和 F A D法在形式上 有所不同， 但实质上是一样的。 S I N T A P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 1 0 的情况 ； 第三级标准评定是最 先进的标准等级 ， 等同于 R 6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， 通过全应力一 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 F A D及 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一 应变关系曲线以计算 I， 积分 ； 第三级高级评定考虑了 L B B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 ， 引起泄漏 ， 但仍然可能处于稳定状态 ， 为此 S I N T A P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 ， S I N T A P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 足够证明安全， 那就没有必要进行更高级别的分析。 1 2 A P I 5 7 9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 S I N T A P 、 R 6 、 B S 7 9 0 ) 不同， A P I 5 7 9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 ， A P I 5 7 9还涉及到 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 ， 这些评定 内容和方法 在其他评定标准和规范中均未涉及到。 ( 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。 A P I 5 7 9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 S I N T A P标准 ， 评定过程采用逐级推进 的形式 ， 若低级别 的分析足够证明安全， 那就没有必要进行更高级别 的分析 2 我国缺陷评定方法研究进展 我国是从 1 9 7 0年代开始压力容器缺陷评定方 法研究的。1 9 8 4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 C V D A - 8 4 ” 。该规范是以 C O D设计 曲 线为基础而制定的。1 9 8 0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， 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 2 0 0 9年8月 李俊菀， 等压力容器缺陷评定研究进展 3 已用于许多容器的失效评定 ， 取得了巨大的经济效 益。进入 1 9 9 0年代 ， 各国重点研究 ， 积分失效评定 图技术 ， C V D A显得相对落后 ， 而且使用中也常暴露 出保守性和单一性 的缺点。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 ， 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( S A P V - 9 5 ) 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 C V D A 一 8 4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 1 0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G B T 1 9 6 2 4 2 o o 4 在用含缺陷压力容器安全评定 诞生 了。该 标准于 2 0 0 4年 1 2月 2 9 13正式发布 ， 于 2 0 0 5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 c V D A 8 4的精华， 比英国B S I P D 6 4 9 3 9 1 的筛选 评定方 法更为先进和安全 ； 常规评定方法 采用 R 6 第 3修正版 ( 1 9 8 6 ) 的通用失效评定 曲线并选取 了 符合国内国情的分安全系数； 分析评定采用 E P R I 一 8 2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 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 1 9 9 5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 。 3 缺陷评定研究重点和发展趋势 3 1 概率断裂力学在缺 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 S M 4 9 0 B钢焊接接 头在 一 2 0及 一 4 O下 ， 焊缝金属 、 母材及热影 响 区以 C O D表示的裂纹扩展阻力曲线 ， 得到了该焊接 接头的表观开裂 C O D( 6 i ) 和条件开裂 C O D( 氏 。 ) ， 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 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 。 w w w . b z f x w . c o m 4 化工设备与管道 第 4 6卷第 4期 ( 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 J 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 Mo n t e C a d o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 C E G B R 6 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( Mo n t e C a r l o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 R 6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I l 1 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。 3 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 ( F A C ) 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 陷检测尺寸的捕征方法进行了研究， 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 R 6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 R 6一致的评定结果， 使其 更加准确合理。 3 3 智能方法在缺陷评定的应用 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