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第 1 页 共 72 页 含环向表面裂纹缺陷的高压容器疲劳安全性评定含环向表面裂纹缺陷的高压容器疲劳安全性评定 摘摘 要：要： 缺陷是造成压力容器低应力脆断的重要原因。本文依据 GB/T19624-2004在用含 缺陷压力容器安全评定规范对在定期检测时，被发现含有表面裂纹缺陷的高压容器进 行疲劳评定，来判定该容器在下一个检查周期前是否可以安全使用。本文完成的主要工 作有： （1） 本文利用 ANSYS 软件分析了高压容器筒体与封头连接处远离不连续部位的应 力分布情况，并与理论计算值进行比较，分析结果表明：高压容器筒体与封头连接处远 离不连续部位的应力与理论值接近，应力分析结果正确。 （2）基于疲劳裂纹扩展速率的 Pairs 公式，建立了疲劳裂纹扩展速率da dN与裂纹 尖端应力强度因子变化幅度K的关系，利用 C 语言编程，计算容器在经历了下一次检 验前所需经历的应力循环次数后，裂纹的扩展量及最终的裂纹尺寸。最终裂纹尺寸为裂 纹深度24.5mm f a =，裂纹半长61.946mm f c =。相比于初始的裂纹尺寸，最终裂纹在原 裂纹的基础上深度方向扩展了9.5mm，长度方向共扩展了73.892mm。 （3）根据GB/T19624在用含缺陷压力容器安全评定规范，对最终裂纹尺寸裂 纹缺陷的高压容器进行疲劳安全性评价。包括疲劳泄漏评定与疲劳断裂评定。最终疲劳 泄漏评定不满足要求，只有疲劳断裂评定满足要求。即：本课题研究的含环向表面裂纹 缺陷的高压容器在下一次检验前是不可以安全工作的，有泄漏的风险。 （4）利用C语言计算裂纹深度a、裂纹半长c、a c以及a方向与c方向裂纹尖端 处的应力强度因子变化幅度 a K和 c K，将所得数据以应力循环次数为横坐标，各物理 量为纵坐标作图，分别得到了应力强度因子变化幅度随应力循环次数变化的曲线与裂纹 尺寸随应力循环次数变化的曲线。本文研究的含环向表面裂纹的高压容器设备安全等级 为2级，由TSG 21-2016固定式压力容器安全技术监察规程中8定期检验这一部分 内容查得设备安全等级为2级的金属压力容器的检验周期为6年，则应力循环次数为 2 365 6=4380次。即在未到检查周期时，裂纹就已达到泄漏条件，为了保证该高压容 器服役过程的安全可靠，需将检查周期缩短。检查周期需要小于裂纹达到泄漏条件所用 的时间，则取检查周期为4年。 关键词：关键词：环向表面裂纹；裂纹缺陷；高压容器；疲劳安全性评定 常州大学本科生毕业设计（论文） 第2页 共72页 Evaluation of fatigue safety of high pressure vessel containing ring to surface crack. Abstract： Defects are an important cause of low stress cracking of pressure vessels.According to GB/T19624-2004 safety assessment of pressure vessels containing defects is used in specification for regular inspection, was found to contain surface crack defects of pressure vessel fatigue assessment, to determine whether the container before the next check cycle is safe to use.The main tasks completed in this paper include: (1) By using ANSYS software, this paper analyses the junction between pressure vessel shell and the head geometry discrete parts of the stress distribution, and comparing with the theoretical calculation value, the analysis results show that the junction between pressure vessel shell and the head geometry discrete parts of the stress and the theoretical value is close to, stress analysis result is correct. (2) Pairs based on fatigue crack growth rate formula of fatigue crack propagation rate is established and the relationship between the crack tip stress intensity factor variation, using C language programming, calculate the container after the next test experience before the stress cycles, the expansion of the crack and the crack size.The final crack size is crack depth and half crack length.Compared with the initial crack size, the final crack expanded in depth and length on the basis of the original crack. (3) According to GB/T19624 code for safety assessment of pressure vessels with defects in use, fatigue safety evaluation was conducted for high pressure vessels with cracks in the final crack size.Including fatigue leakage assessment and fatigue fracture assessment.Both assessments met the requirements.In other words, the high pressure vessel with the circular surface crack defect studied in this paper can work safely before the next inspection. (4) The C language is used to calculate the crack depth, crack and a half long, and the direction and orientation of the crack tip stress intensity factor range and change, will the data to stress cycles as the abscissa, various physical quantities for the y coordinate mapping, respectively, the stress intensity factor of the curve changes with stress cycles and the curve of the flaw size changes with stress cycles.Based on the analysis of data and curves, the residual life of high pressure vessels with circumferential surface crack defects was estimated to be about 5 years after the defect was found. Key words：Ring to surface crack;Crack defects;High pressure vessel;Fatigue safety assessment. 常州大学本科生毕业设计（论文） 第3页 共72页 目目 录录 摘 要： . 1 目 录 . 3 术 语 表 . 5 1 绪论 . 7 1.1 选题背景 . 7 1.2 国内外研究现状 . 7 1.2.1 国外研究现状 . 7 1.2.2 国内研究现状 . 9 1.3 本文研究内容及方法 . 10 2 有限元分析方法正确性验证 . 12 2.1 引言 . 12 2.2 高压容器半球壳与筒体连接结构解析法分析 . 12 2.3高压容器半球壳与筒体连接结构有限元分析 . 13 2.3.1模型建立 . 13 2.3.2网格划分 . 14 2.3.3加载及求解 . 14 2.3.4 后处理与应力准确性的验证 . 15 2.5 本章小结 . 19 3 含环向表面缺陷高压容器的疲劳安全性评价 . 20 3.1 引言 . 20 3.2含平面裂纹缺陷压力容器的裂纹扩展分析 . 20 3.2.1 裂纹扩展率及断裂判据选定 . 20 3.2.2 免于疲劳评定的判定 . 23 3.2.3 环向表面裂纹的应力强度因子计算 . 24 3.2.4 环向表面裂纹的裂纹扩展寿命计算 . 29 3.3 安全性评价 . 30 3.3.1 疲劳泄漏判定 . 30 3.3.2 疲劳断裂判定 . 30 3.3.3 疲劳安全性评价 . 35 3.4 本章小结 . 35 4 裂纹扩展速率与剩余寿命分析 . 37 4.1 引言 . 37 4.2 裂纹扩展速率的数据分析 . 37 常州大学本科生毕业设计（论文） 第4页 共72页 4.3 剩余寿命的初估 . 39 4.4 本章小结 . 39 5 全文总结与展望 . 41 5.1 全文总结 . 41 5.2 对今后工作的展望 . 41 参 考 文 献 . 43 致 谢 . 44 附 录 A . 45 A.1 C语言编程计算程序 . 45 A.2 C语言编程计算所得数据（1-4380组） . 48 附 录 B . 61 B.1 ANSYS软件建立不含裂纹缺陷模型的APDL语言 . 61 B.2 ANSYS软件建立含裂纹缺陷模型的APDL语言 . 65 B.2.1 ANSYS软件建立含裂纹缺陷模型的APDL语言 . 65 B.2.2 ANSYS软件模型施加约束与载荷 . 71 常州大学本科生毕业设计（论文） 第5页 共72页 术术 语语 表表 ()1 3/21 A K N mmcycle mm+ 材料疲劳裂纹扩展速率与 关系式中的系数，； mm a平面缺陷规则化后的表征裂纹尺寸（穿透裂纹为其半长，二维缺陷为椭圆化 后短轴长度的一半，即表面裂纹的深度、埋藏裂纹自身高度的一般、或角裂 纹沿接管壁的深度），； mm f aa裂纹疲劳扩展后 的最终尺寸，； 1,2,3, ,mm i aiain=第 个疲劳（应力）循环后的 值，； 1,2,3, , mm j ajaju=疲劳扩展分段计算法中第 计算段中裂纹尺寸 的平均值， ； 0 mmaa疲劳分析初始裂纹的值，； mm B评定用壳体计算厚度，即扣除一个评定周期的内、外壁腐蚀量后的缺陷附近 容器壳体壁值，； mmc表征椭圆埋藏裂纹或半椭圆表面裂纹在沿壳体表面方向的半长，； mm f cc裂纹疲劳扩展后 的最终尺寸，； mm i cic第 个疲劳（应力）循环后的 值，； 1,2,3, , mm j cjcju=疲劳扩展分段计算法中第 计算段中裂纹尺寸 的平均值， ； 0 mmcc疲劳分析初始裂纹的值，； mmD容器平均直径，； mm sda dt应力腐蚀裂纹扩展速率，/ ； MPaE在评定温度下的材料弹性模量，； bm fff 及 的总称，无量纲； AB bbb fff及的总称，无量纲； A bB fa计算由弯曲应力引起的裂纹尺寸 方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的 裂纹构形因子，无量纲； B bB fc计算由弯曲应力引起的裂纹尺寸 方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的 裂纹构形因子，无量纲； AB mmm fff及的总称，无量纲； A mm fa计算由弯曲应力引起的裂纹尺寸 方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的 裂纹构形因子，无量纲； B mm fc计算由弯曲应力引起的裂纹尺寸 方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的 裂纹构形因子，无量纲； G相邻两裂纹间弹塑性干涉效应系数，无量纲； N/mmJJ积分值，； 0.2mm, N/mm C Ja J 材料稳定裂纹扩展量时 对应于的材料 积分断裂韧度， ； ()3 2 N mm C KJ以应力强度因子表示材料的断裂韧度，或 积分断裂韧度/CTOD 断裂韧度换算 的以应力强度因子表示材料的断裂韧度， /； ()3 2 N mmK 型应力强度因子， /； ()3 2 N mm IC K材料的平面应变断裂韧度， /； ()3 2 N mm P K平面缺陷常规评定中考虑了分安全系数后，以应力强度因子表示的材料断裂 韧度， /； K平面缺陷常规评定用断裂比，指施加载荷作用下的应力强度因子与以应力强 度因子表示的材料断裂韧度的比值，无量纲； ()3 2P I N mmK一次应力引起的应力强度因子， /； ()3 2S I N mmK二次应力引起的应力强度因子， /； Km疲劳裂纹扩展速率与关系式中的指数，无量纲； P MPa一次应力，； b P 一次弯曲应力，MPa； m P 一次薄膜应力，MPa； p安全评定要求的容器工作压力，MPa； Q MPa二次应力，； b Q 二次弯曲应力，MPa； m Q 二次薄膜应力，MPa； mmR容器平均半径，； mm i R容器内半径，； o mmR容器外半径，； 3 2 N mmK裂纹尖端应力强度因子变化范围， /； 3 2 N mm a KaK方向裂纹尖端处的， /； 3 2 cN mm c KK方向裂纹尖端处的， /； 3 2 N mm th K应力强度因子变化范围门槛值， /； m12 MPa B 应力变化范围，等于与之和，及和中的较大值，； MPa B 弯曲应力分量变化范围，； m MPa薄膜应力分量变化范围，； CTODmm裂纹尖端张开位移（）值，； 泊松比，无量纲； MPa R 焊接残余应力，； 1 K 平面缺陷常规评定中，为计算所涉及的塑性修正因子 时的中间参量，无 量纲； 常州大学本科生毕业设计（论文） 第7页 共72页 1 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 压力容器在石油化工生产等领域有着非常广泛的应用，在其制造和服役的过程中会 不可避免的产生各类缺陷，如：材料缺陷、腐蚀、变形、裂纹等。如果不允许任何缺陷 存在，一旦检出缺陷就报废或返修会造成大量不必要的人力物力浪费，会降低压力容器 的经济性能，而忽视了缺陷的存在，则容易引发安全事故，造成更大的损失。因此，为 了保证压力容器的经济性与安全性，工程中提出了对含缺陷的压力容器在寿命期间进行 评定的措施，例如在整个压力容器使用寿命期间设置两次安全性检查，即使用寿命等于 两倍的检查间隔 1 。我国对压力容器事故的调查中发现，百分之八十以上的事故皆是由 裂纹缺陷引起的，其中又以疲劳裂纹引起的破坏占大多数 2 。可以说，能够完善处理带 裂纹的压力容器安全使用问题，不仅将大大降低事故发生率而且能够在一定程度上提高 压力容器的经济性。本文以在定期检测时，被发现在筒体和封头焊接接头部位含有环向 表面裂纹缺陷的高压容器为研究对象，通过疲劳安全性评定来判定该容器在下一个检验 期前是否可以安全使用。 1.2 国内外研究国内外研究现状现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 最初的工程构件的安全评定采用的是传统强度理论，简单地说这种方法是研究构件 在外载荷作用下各点的应力，并保证其小于或等于材料的许用应力，满足上述条件就被 认为是安全的。但是随着四五十年代焊接方法与高强度材料的广泛使用，由于断裂韧性 不足而导致的低应力脆断事故频发，传统强度理论既不能解释发生事故的原因，也找不 出改进的途径。美国北极星导弹压力壳低应力脆断事故影响极大，更让大家意识到传统 强度理论的局限性，于是广泛地组织力量进行新的探索研究，从而产生了以断裂力学为 手段分析含缺陷压力容器安全性的评定技术，这类技术主要分为以下三个方面： 第一阶段：基于线弹性断裂力学的含缺陷压力容器安全评定技术 基于线弹性断裂力学的含缺陷压力容器安全评定技术是基于线弹性应力强度因子 作为裂纹扩展与断裂的评定参量的裂纹扩展分析技术。线弹性断裂力学主要适用于高强 度钢之类的脆性断裂，即在裂纹失稳扩展前裂纹尖端区域无明显塑性变形，主要基本弹 性应力分析结果。线性断裂力学可用K判据或考虑小范围屈服修正的K断裂判据来讨 论其脆断问题。1971年由美国制定的“ASME锅炉及压力容器规范”中提到的“防止非延 性破坏”和“缺陷显示的分析”是世界上第一部以断裂力学线弹性断裂理论为基础的评定 标准。 过程装备行业主要部件的完整性应在运行过程中进行评估和维护。为了保证其完整 性，需要对构件进行断裂力学评价。在制造和操作条件下，压力容器可能会产生裂纹。 用线性弹性断裂力学对压力容器的评估中，应力强度因子的确定是进一步预测的重要组 成部分。Dipak Patil, D.N.Jadhav , Sachin Khanderajuri , Sagar Bharadwaj 3 在利用有限元 法评价压力容器二分之一椭圆封头和四分之一椭圆封头裂纹的应力强度因子文中研究 常州大学本科生毕业设计（论文） 第8页 共72页 了半椭圆封头和四分之一椭圆封头应力强度因子的计算问题，用先进的三维有限元数值 模拟求解压力容器应力集中区的裂纹并对其进行单元分析。分析中考虑的裂纹位置为壳 体、接管与壳体交界处和壳体与封头交界处。利用ASME Sec VIII Div3 和 API-579-1/ASME-FFS-1 给出的各种非破坏性技术和准则确定裂纹形状。在参数化设计 概念的帮助下，针对缺陷形状对应力强度因子变化的影响对裂纹展开了研究。在SIF分 析中采用基于圣维南原理的子建模方法，使SIF计算具有较高的效率，并在很大程度上 节省了计算时间。将半椭圆封头和四分之一椭圆封头裂纹的分析结果与ASME double c; double sigma_m; double sigma_B; double N=0.0; double KI_A,KI_C; double Q_Q() if(a/c1) return 1+1.464*pow(c/a,1.65); else return 1+1.464*pow(a/c,1.65); 常州大学本科生毕业设计（论文） 第46页 共72页 void load() pa sigma_m=72.887e6; sigma_B=360.044e6; void SIF_I() double fm_A=0; double fb_A=0; double fm_B=0; double fb_B=0; fm_A=1/pow(Q_Q(),0.5)*(1.13-0.09*a/c+(-0.54+0.89/(0.2+a/c)*a/B*a/B+(0.5-1/( 0.65+a/c)+14*pow(1-a/c,24)*pow(a/B,4); fb_A=(1+(-1.22-0.12*a/c)*a/B+(0.55-1.05*pow(a/c,0.75)+0.47*pow(a/c,1.5)*pow (a/B,2)*fm_A; fm_B=(1.1+0.35*pow(a/B,2)*pow(a/c,0.5)*fm_A; fb_B=(1-0.34*(a/B)-0.11*(pow(a,2)/(c*B)*fm_B; fstream in,out; out.open(y_check.txt,ios:out); KI_A=sqrt(pi*a)*(sigma_m*fm_A+sigma_B*fb_A); KI_C=sqrt(pi*a)*(sigma_m*fm_B+sigma_B*fb_B); outfm_A fb_A KI_Aendl; void kuozhan() 常州大学本科生毕业设计（论文） 第47页 共72页 fstream out; out.open(kuozhan.txt,ios:out); outKI_A KI_C a c a/cendl; double C=6.44e-14; double m=3.38; double GK_N=365.0*2; double KIC=196.63e6; a=0.015; c=0.025; load(); SIF_I(); outKI_A KI_C a c a/cendl; while(KI_AKIC a=a+C*pow(KI_A*sqrt(1000)*1e-6,m)*1e-3; c=c+C*pow(KI_C*sqrt(1000)*0.9*1e-6,m)*1e-3; outKI_A KI_C a c a/cendl; SIF_I(); coutKI_A a a/cendl; / coutNendl; couta c Nendl; void main() 常州大学本科生毕业设计（论文） 第48页 共72页 kuozhan(); couta c Nendl; A.2 C 语言编程计算语言编程计算所得数据所得数据（1-4380 组组） KI_A KI_C a c a/c 4.72E+07 6.65E+07 0.015 0.025 0.6 4.72E+07 6.65E+07 0.015003 0.025008 0.599953 4.72E+07 6.67E+07 0.015086 0.025193 0.598821 4.72E+07 6.67E+07 0.01509 0.025201 0.598773 4.72E+07 6.67E+07 0.015093 0.025209 0.598725 4.72E+07 6.67E+07 0.015096 0.025216 0.598677 4.72E+07 6.67E+07 0.0151 0.025224 0.598629 4.72E+07 6.67E+07 0.015103 0.025232 0.598581 4.72E+07 6.69E+07 0.015148 0.025333 0.597952 4.72E+07 6.69E+07 0.015152 0.025341 0.597903 4.72E+07 6.70E+07 0.015189 0.025427 0.597364 4.72E+07 6.70E+07 0.015193 0.025435 0.597314 4.72E+07 6.70E+07 0.015196 0.025443 0.597265 4.72E+07 6.70E+07 0.0152 0.025451 0.597215 4.72E+07 6.70E+07 0.015203 0.025459 0.597166 4.72E+07 6.71E+07 0.015255 0.025578 0.596417 4.72E+07 6.72E+07 0.015289 0.025657 0.595912 4.72E+07 6.72E+07 0.015293 0.025665 0.595861 4.72E+07 6.73E+07 0.015296 0.025673 0.59581 4.72E+07 6.73E+07 0.0153 0.025681 0.59576 4.72E+07 6.73E+07 0.015303 0.025689 0.595709 4.72E+07 6.74E+07 0.015355 0.025809 0.594939 4.72E+07 6.74E+07 0.015358 0.025817 0.594887 4.72E+07 6.74E+07 0.015362 0.025825 0.594835 4.72E+07 6.75E+07 0.015389 0.02589 0.594419 4.72E+07 6.75E+07 0.015393 0.025898 0.594367 4.72E+07 6.76E+07 0.015427 0.025979 0.593843 4.72E+07 6.76E+07 0.015431 0.025987 0.59379 4.72E+07 6.76E+07 0.015434 0.025995 0.593737 4.72E+07 6.76E+07 0.015438 0.026003 0.593684 4.72E+07 6.76E+07 0.015441 0.026011 0.593631 4.72E+07 6.76E+07 0.015445 0.02602 0.593579 4.72E+07 6.77E+07 0.015476 0.026093 0.5931 4.72E+07 6.77E+07 0.015479 0.026101 0.593047 4.73E+07 6.77E+07 0.015483 0.026109 0.592993 4.73E+07 6.82E+07 0.015649 0.026506 0.590375 4.73E+07 6.82E+07 0.015652 0.026515 0.590319 4.73E+07 6.86E+07 0.015811 0.026903 0.58771 4.73E+07 6.86E+07 0.015815 0.026912 0.587652 4.73E+07 6.86E+07 0.015818 0.02692 0.587594 常州大学本科生毕业设计（论文） 第49页 共72页 4.73E+07 6.86E+07 0.015822 0.026929 0.587536 4.73E+07 6.87E+07 0.015846 0.026989 0.58713 4.73E+07 6.87E+07 0.015849 0.026997 0.587072 4.73E+07 6.87E+07 0.015853 0.027006 0.587014 4.73E+07 6.87E+07 0.015856 0.027015 0.586956 4.73E+07 6.92E+07 0.016051 0.027502 0.583625 4.73E+07 6.93E+07 0.016054 0.027511 0.583564 4.73E+07 6.93E+07 0.016058 0.027519 0.583504 4.73E+07 6.97E+07 0.016204 0.027893 0.580917 4.73E+07 6.97E+07 0.016207 0.027902 0.580855 4.73E+07 6.97E+07 0.016211 0.027911 0.580793 4.74E+07 6.98E+07 0.016242 0.027992 0.580229 4.74E+07 6.98E+07 0.016245 0.028001 0.580166 4.74E+07 6.98E+07 0.016249 0.02801 0.580103 4.74E+07 6.98E+07 0.016252 0.028019 0.58004 4.74E+07 7.03E+07 0.016437 0.028504 0.576649 4.74E+07 7.03E+07 0.016441 0.028514 0.576584 4.74E+07 7.03E+07 0.016444 0.028523 0.576519 4.74E+07 7.08E+07 0.016619 0.028992 0.57322 4.74E+07 7.08E+07 0.016622 0.029001 0.573153 4.74E+07 7.08E+07 0.016626 0.029011 0.573086 4.74E+07 7.08E+07 0.016629 0.02902 0.57302 4.74E+07 7.08E+07 0.016633 0.02903 0.572953 4.74E+07 7.13E+07 0.0168 0.02949 0.569695 4.74E+07 7.13E+07 0.016804 0.0295 0.569627 4.74E+07 7.13E+07 0.016807 0.02951 0.569558 4.74E+07 7.13E+07 0.016811 0.029519 0.569489 4.75E+07 7.16E+07 0.01692 0.029823 0.567341 4.75E+07 7.16E+07 0.016923 0.029833 0.567271 4.75E+07 7.16E+07 0.016927 0.029842 0.567201 4.75E+07 7.17E+07 0.016976 0.029981 0.566219 4.75E+07 7.17E+07 0.016979 0.029991 0.566149 4.75E+07 7.18E+07 0.016983 0.030001 0.566078 4.75E+07 7.18E+07 0.016986 0.030011 0.566008 4.75E+07 7.18E+07 0.01699 0.030021 0.565937 4.75E+07 7.18E+07 0.016993 0.030031 0.56586