（化工过程机械专业论文）基于极限载荷的在用含未焊透缺陷压力管道安全性分析.pdf

摘要 由于工业压力管道大多采用现场手工电弧焊焊接，焊缝内部不可避免地存在 缺陷，其中尤以未焊透缺陷为最主要且数量最多，对工业压力管道的安全构成严 重的威胁。因而，正确评价未焊透缺陷的危害性对于确保工业压力管道的安全运 行具有十分重要的意义。我国工业压力管道多数采用韧性较好的中低强度钢，其 失效模式为塑性极限载荷控制的韧性失效。 本文针对2 0 号钢含未焊透缺陷压力管道在纯内压、纯弯矩、纯扭矩以及组 合载荷作用下的塑性极限载荷及其安全评定技术进行系统的理论、有限元和试验 研究。主要研究成果和创新点如下： ( 1 ) 得到了在内压、弯矩、扭矩组合载荷共同作用下的含未焊透缺陷压力管 道的塑性极限载荷理论计算公式，扩展了原来只适用于拉、弯组合载荷的净截面 垮塌准则( n s c 准则) 的应用范围。并利用非线性有限元方法验证了理论公式的 准确性。 ( 2 ) 得到了综合考虑未焊透缺陷环向长度、深度以及管径比等影响因素的含 未焊透缺陷压力管道塑性极限内压、极限弯矩、极限扭矩工程估算公式。 ( 3 ) 设计加工了组合载荷作用下压力管道的四点弯试验装置，进行了极限 载荷试验测试，验证了有限元计算的可行性，同时验证了工程估算公式的有效性。 ( 4 ) 建立了基于内压、弯矩、扭矩组合载荷作用下的含未焊透缺陷2 0 号钢 工业压力管道安全评定方法。利用建立的安全评定方法对两条被在用工业管道 定期检验规程定级为4 级的在用工业压力管道进行了安全评定。 关键词：未焊透缺陷；压力管道；塑性极限载荷；理论分析；有限元计算；试 验研究；安全评定 i i a b s t r a c t t h ed e f e c t sa r ei n e v i t a b l es i n c ep m s s u r ep i p e sa r eu s u a l l ya d o p t i n gm a n u a la r c w e l d i n gw h o s eq u a l i t yi sd i f f i c u l tt oc o n t r o l ，a n di n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t sa r ei n t h em a jo r i t y ，w h i c hi sap o t e n t i a lt h r e a to ft h es a f e t y t h e r e f o r e ，r e a s o n a b l ee v a l u a t i o n o f i n c o m p l e t ew e l d i n g d e f e c t si ss i g n i f i c a n tt oe n s u r et h es a f e t yo f p r e s s u r ep i p e s t h e f a i l u r em o d e lo fp i p e s ，m a d eo fl o wa n dm e d i u ms t r e n g t hs t e e l s ，i sf r e q u e n t l y d o m i n a t e db yp l a s t i cc o l l a p s ei no u rc o u n t r y b ym e a l l so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n o n - l i n e a rf e aa n de x p e r i m e n t s ，t h el i m i t l o a d sa n ds a f e t ye v a l u a t i o no ft h ei n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c to fp r e s s u r ep i p i n gu n d e r c o m b i n e dl o a d so fi n t e r n a lp r e s s u r e ，b e n d i n ga n dt o r s i o nm o m e n tw a ss y s t e m a t i c r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n dc r e a t i v ei d e a sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h e o r e t i c a lc o r r e l a t i v ef o r m u l a so fp l a s t i cl i m i tl o a df o rp r e s s u r ep i p i n g 谢t h i n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t su n d e rc o m b i n e db e n d i n g ，t o r s i o na n di n t e r n a lp r e s s u r e l o a d i n g sa r ed e d u c e d t h el o a d i n gr a n g eo fn e ts e c t i o nc o l l a p s ec r i t e r i af n s c ) i s e x t e n d e df r o mc o m b i n e dt e n s i o na n db e n d i n gl o a d i n g st oc o m b i n e db e n d i n g ，t o r s i o n a n di n t e m a lp r e s s u r el o a d i n g s u s i n gt h en o n l i n e a rf e at ov e r i f yt h et h e o r e t i c a l c o r r e l a t i v ef o r m u l a si sa c c u r a c y ( 2 ) e n g i n e e r i n ge s t i m a t i o nf o r m u l a so fp l a s t i cl i m i tl o a df o rp r e s s u r ep i p i n g 晰t l l i n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t su n d e rp u r ei n t e r n a lp r e s s u r e 。p u r eb e n d i n gm o m e n to r p u r et o r s i o nm o m e n ta l ed e d u c e d ，t h ei n f l u e n c e so fp i p ec u r v a t u r e ，c i r c u m f e r e n t i a l l e n g t ha n dd e p t ho fi n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t sa r ec o n s i d e r e d ( 3 ) a ne x p e r i m e n t a lf o u r - p o i n tb e n d i n gt e s td e v i c eu s e df o rt e s t i n gt h el i m i t l o a do fp r e s s u r ep i p i n gu n d e rc o m b i n e dl o a d sw a sd e s i g n e d u s i n gt h es e l f - d e s i g n e d l i m i tl o a dt e s td e v i c e ，t h ee x p e r i m e n t so fp r e s s u r ep i p i n gc o n t a i n i n gi n c o m p l e t e w e l d i n gd e f e c ta r ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m p a r e dt ot h o s ef r o mf e a ， w h i c hi n d i c a t et h a tt h ec a l c u l a t i o no ff e aa n de n g i n e e r i n ge s t i m a t i o nf o r m u l a sa r e r e l i a b l e ( 4 ) s a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o df o rp r e s s u r ep i p i n gw i t hi n c o m p l e t ew e l d i n g d e f e c t su n d e rc o m b i n e db e n d i n g ，t o r s i o na n di n t e r n a lp r e s s u r el o a d i n g sa r ed e d u c e d t w oi n - s e r v i c ei n d u s t r i a lp i p e l i n e sc o n t a i n i n gi n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t ss c o r e d4 d e g r e eb yr e g u l a ri n s p e c tc r i t e r i o na r ea s s e s s e db yt h es a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d i i i k e y w o r d s ：i n c o m p l e t ew e l d i n gd e f e c t s ；p r e s s u r ep i p e ；p l a s t i cl i m i tl o a d ；n e ts e c t i o n c o l l a p s ec r i t e r i a ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；e x p e r i m e n t sr e s e a r c h ；s a f e t ye v a l u a t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王疏芳 签字日期：如地年。乡月口昌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王阮莠 导师签 签字日期：o i o 年够月d 易日 签字日期： 知矽年哆月7 日 致谢 本论文是在导师金志江教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案 制订、理论分析、有限元计算、试验研究到最终定稿，无不倾注了导师的心血。 在攻读硕士学位的两年半时间中，金老师对我的学习花费了大量的精力。他不断 启发，耐心指导，开拓了我的科研思路，培养了我发现问题、解决问题的能力。 他严谨的治学态度、敏锐的洞察力、开阔的科研思路、渊博的知识以及严于律己 的学者风范、平易近人的工作风格，使我终身受益。在此，向我的导师金志江教 授表示最真挚的感谢! 感谢杭州市特种设备检测院盛水平主任以及陈海云工程师对于课题进展的 支持和帮助。 感谢同课题组的陈坡、万先平、蒋诚航同学，在两年中给我学习上的合作和 帮助，让我在学习的过程中取得了更多的进步。特别感谢吕荣坤教授和陈宏港师 兄在试验过程中提供的帮助和提出的宝贵建议。 感谢已经毕业的同课题组师兄郑翔宇，王飞，在论文进行期间，他们对我论 文的写作提出了建议和指导。同时还要感谢我的室友们，在学习和生活中给我的 帮助和照顾，让我在这两年半的时间中快乐的学习和生活。 感谢我的父母和家人，他们自始至终给予我莫大的支持! 再一次感谢所有支 持、帮助我的老师、同学和朋友! 最后，向参加论文评审和答辩的各位专家、学者表示最诚挚的谢意! 王晓芳 2 0 1 0 年1 月1 5e t 1 1 引言 第1 章绪论 改革开放三十年以来【1 】，伴随着我国经济的迅速良性发展以及能源结构改 变，压力管道已成为工业生产、人民生活中不可缺少的常见特种设备。在石油化 工、电力、医药等行业中压力管道应用广泛，在这些关系到国计民生的重要行业， 压力管道承担着高温、高压、易燃、易爆、强腐蚀物料的输送任务，在国民经济 中占有举足轻重的地位。按原劳动部1 9 9 6 年颁发的压力管道安全管理与监察 规定第三十九条规定，受监察的压力管道共分为三大类：长输管道、公用管道 和工业管道。截止2 0 0 8 年底，我国拥有压力管道总里程为7 5 万公里，其中长输 管道2 0 多万公里、公用管道3 0 多万公里、工业管道2 0 多万公里，其中尤以工 业压力管道为最主要且危害性最大，而且随着经济建设的发展，我国压力管道数 量和范围将进一步扩大。除此之外，工业压力管道的安全运行和人民的生产生活 关系非常密切，工业压力管道的完整性直接关系到生产的安全，一旦发生泄漏或 爆炸，往往导致灾难性事故。事故的发生不仅会造成巨大的经济损失、社会资源 浪费，并且会威胁到人民群众的生命安全。因此，准确的预测管道的失效，对于 管道的维护和完整性评估都是非常重要的。 尽管压力管道与压力容器在本质上是一致的【2 1 ，其失效模式- 9 压力容器也相 仿，并都采用韧性较好的材料。但与压力容器比较 3 1 ，压力管道的结构和载荷有 其显著的特点：压力管道的直径和壁厚较小；焊缝一般为环向对接焊缝、单面焊， 内表面极易存在未焊透缺陷，且和压力容器的未焊透不一样，基本上都是由于单 面焊接的根部未焊透；压力管道的载荷比较复杂，除了内压载荷外，还有管道膨 胀、自重、强制安装等引起管道承受的整体弯矩和扭矩载荷；压力管道由内压引 起的应力往往不是主要载荷，导致失效的载荷最主要的是弯矩载荷。因此，与压 力容器相比，压力管道的安全管理要复杂得多。总结起来，压力管道和压力容器 相比较，具有种类多、数量大、设计、制造、安装、应用管理环节多等特点【4 】。 压力容器是单一设备，压力管道是一个系统，相互关联和影响。环节越多，包括 的信息量越大，影响安全的因素就越多，出现问题的几率就越大，从而造成压力 管道安全管理和安全监察的多元性和复杂性。 由于工业压力管道安全管理起步较晚，技术力量较为薄弱，从设计、安装到 使用都很不规范，随意性较强，管理水平落后，因而在用工业压力管道普遍存在 着大量缺陷，包括焊接缺陷以及使用过程中产生的裂纹和腐蚀等缺陷。特别是焊 接焊头，由于管道基本上采用现场手工电弧焊接，导致焊缝内部存在大量缺陷， 其中以未焊透缺陷为最多。未焊透缺陷是一种工程上常见的焊接过程中形成的形 貌复杂、不规则并且不连续的缺陷，其存在往往会成为某些事故的潜在原斟5 1 。 工程上，企业对检测中发现的超标缺陷处理常有以下三种方法：第一种是返修， 在大修时间允许且该含缺陷存在返修价值的情况下，可通过返修消除缺陷；第二 种是为了完成生产任务，在缺乏依据的情况下不作任何处理继续盲目带缺陷运 行，显然这种处理方法是危险的；第三种是对含缺陷管道进行科学的安全评定， 这种处理方法是最合理的。 国家质监总局2 0 0 3 年6 月颁布了在用工业管道定期检验规程( 试行) ( 国质监锅【2 0 0 3 】1 0 8 号) 【6 】，给工业管道定期检验定下一些原则性依据。若按 照此标准进行定级，对定为4 级的含未焊透缺陷的在用工业压力管道就停止使 用。然而大量的工程应用表明【7 1 ，大部分被定为四级的工业压力管道在实际生产 中都是可以安全运行的，这说明在用工业管道定期检验规程具有较大的保守 性。因此如果按其进行评定，势必会给用工单位带来严重经济损失，影响我国经 济发展的速度。如果不加评定的任其存在，又很危险。如果能采用合理的安全评 估方法重新对这些管道进行安全评定，就有可能大大放宽使用限制。因此对压力 管道未焊透缺陷进行安全评定技术研究，具有非常重要的实际应用价值。为此， 国家质监总局国质监特( 2 0 0 6 ) 1 4 8 号文件提出了拟对一些危险性较小的工业压 力管道，制订基于合乎使用原则的缺陷处理规定，要求各地质量技术监督部门应 因地制宜对管道定期检验和缺陷处理提出施行意见，进行试点工作。本课题就是 在这样的背景下成立的，目的是建立一种针对未焊透缺陷的在用工业压力管道安 全评定方法，保障工业压力管道的安全运行、预防事故的发生、最大限度地发挥 在用工业压力管道的经济效能。 本论文课题是和杭州市特种设备检测院共同合作的。课题来源于在长期定期 检验中发现了大量安全运行的未焊透超标缺陷，如果严格按照规程强制禁止使 2 蜇迢太堂亟堂位论塞筮! 童绪论 用，不但给企业带来不利影响，也给定检工作造成了一定的阻碍。本论文应杭州 市特种设备检测院在实际检测过程的工程需求对含未焊透缺陷压力管道进行安 全评估合作研究。提出可靠的适用性较强的安全评定方法，既能保证管道的安全 运行又能避免不必要的过度维修和更换造成的人力物力浪费。 1 2 国内外含缺陷压力管道研究概况 1 2 1 国内外含缺陷压力管道研究概况 应发达国家核电工业迅速发展的要求，上世纪七十年代开始，美国、德国、 法国、英国、日本等经济发达国家对核电站的安全运行问题引起了高度重视，先 后开展了许多压力管道试验研究项目。国际上压力管道的研究主要是针对核电压 力管道，尤其是核电站一回路压力管道进行试验研究。这是因为一回路压力管道 一旦发生双端断裂，就会导致核岛破坏，造成放射性物质外溢的严重后果。3 0 余年来这些发达国家在压力管道领域内开展了许多研究工作，其中有许多大规模 的国际合作的研究计划，大大推动了压力管道完整性评定技术的进展。一些主要 研究项目介绍如下： ( 1 ) 美国退化管道研究计划【s 1 该计划是压力管道的第一个系统研究计划，每组试验主要涉及以下三个方 面：材料特性试验，管子断裂试验以及断裂评定方法研究。在材料特性研究方面 共进行1 5 0 个材料拉伸试验和1 7 5 个材料断裂韧性阻力试验，这些数据为预测管 子断裂试验结果提供了材料性能数据，也给管道材料性能数据库的建立提供了宝 贵的数据资源。管子断裂试验中包括6 1 个管子的试验研究，试件绝大多数取自 报废核电站的直管段。按照载荷类型试验可以分为以下几类：四点弯加载条件下 试验；柔性四点弯加载条件下的试验；恒定内压和四点弯加载条件下的试验。研 究结果表明：对于奥氏体不锈钢管道而言，母材中的裂纹总是塑性极限载荷失效， 而焊缝处则有可能发生弹塑性断裂失效。该研究计划验证了于1 9 8 3 年提出的 a s m ex ii w b 3 6 4 0 及附录c n ，即奥氏体钢管道缺陷验收标准的准确性， 同时又提出了a s m ex ii w b 3 6 5 0 铁素体钢管道缺陷验收标准及附录h e l 0 1 。 试验结果还认为，材料韧性较好的中小直径管子可用极限载荷评定方法，而对低 韧性大直径管子应采用断裂力学的评定方法【1 1 1 。 ( 2 ) 美国的管道和管道焊缝中的短裂纹研究计划 在退化管研究计划中所进行的研究对象大多数为小直径管，并且含缺陷尺寸 较长。因此，在美国核管理委员会n r c 的要求和资助下，从1 9 9 0 年3 月开始进 行了历时4 年的管道和管道焊缝中短裂纹研究计划。本计划的主要对象为大直径 短裂纹管道，用来改进大直径含周向短裂纹管的安全评定方法。该研究计划主要 从材料特性、全尺寸管道断裂试验等方面开展研究。研究成果主要包括：提出了 在各种载荷作用下管道椭圆化对j 积分和管道极限载荷的影响；成立了两个压力 管道试验数据库，纵向裂纹管道断裂试验数据) g ( a x i a l c k w k l ) 1 2 1 和环向裂纹 管道断裂试验数据库( c i r c u m c k w k l ) 1 3 1 。这些数据库的建立对我国管道安全 评估研究具有十分重要的意义。 ( 3 ) 德国的压力管道研究 德国的压力管道研究计划是在德国核反应堆安全委员会( r s k ) 的组织下开展 的，以德国国立材料试验研究所为核心，并与德国核电站联合会、德国技术监督 委员会联合进行的包括4 个阶段的研究计划【1 4 1 。主要内容包括含缺陷直管、弯头 与支管或者三通在准静态载荷和动载荷下的强度性能、l b b 性能、裂纹扩展性 能、交变变形性能等。在研究基础上，提出了基本安全准则和防止断裂评定准则。 基本安全准则是通过设计、制造标准来满足质量要求。防止断裂评定准则是在基 本安全概念的基础上，附加一些安全措施。基本安全准则，要求考虑人为错误、 系统失常、反应冲击及环境腐蚀；防止断裂评定准则，要求进行l b b 性能评定、 裂纹扩展试验与分析以及考虑载荷边界条件的影响。这两个准则已成为德国核反 应堆委员会的指导性文件，它们成功地应用于核反应堆压力管道及其支管的评 定，也可以应用于老龄化核电厂的重新评定。 ( 4 ) 国际管道完整性研究计划 国际管道完整性研究工作小组( i p i r g ) 是由美国发起，由九个国家和地区 组成的。它由美国核电管理委员会0 d s n r c ) 管理，i p i r g 共同制订研究计划， 分头实施【1 5 】。研究经费由参加国家和地区共同承担，研究成果各国共享。鉴于以 前的研究大部分是在准静态载荷下研究单一管道的断裂性能，i p i r g 制订的研究 计划主要是研究动载荷下多种压力管道( 包括直管、管件和管系) 的断裂性能。 i p i r g 的研究计划包括两个阶段i p i r g - i 和i p i r g i i 。 4 浙江太堂亟堂焦i 金塞簋! 童绪论 两个阶段均历时四年：i p i r g i ( 1 9 8 7 1 9 9 1 ) ，i p l r g i i ( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 1 1 6 1 。 1 p i r g i 主要研究目的是考查含环向缺陷管道在高速率加载条件下的断裂性能， 研究对象包括单一的小尺寸管道和典型管道系统。研究主要结论有：高加载速率 可以使得不锈钢管道承载能力稍有增加，但是碳钢管道的承载能力却有明显降 低；其中两个管道系统的试验研究表明，小裂纹管道不可能会产生一分为二的双 端断裂，因此没有必要过度的加固管道。i p l r g i i 包括了8 个管系试验研究，在 i p i r g i 研究单频、恒幅加载条件的基础上，进一步研究和模拟在多频变幅载荷 作用下管系的断裂性能。通过研究得到有关结论如下：因为高应变速率会略提高 不锈钢材料的应力应变曲线，所以对不锈钢管道的断裂分析可以直接采用准静态 条件下得到的应力一应变曲线；管系的断裂试验结果表明对于环向裂纹长度大于 管道周长9 5 的表面裂纹，在单循环载荷作用下，可能会产生管道的双端断裂。 由于我国的压力管道试验研究经费有限，因此起步较晚并且没有大规模的研 究计划。李金波【1 7 1 对外径7 3 m m 缺陷管和外径1 1 4 m m 缺陷管进行了三点弯试验 研究。得到的结论为缺陷角度一定，且缺陷长度较小时，试验结果验证n s c 准则， 并且在本次研究中不同管线直径得到测试结果都有类似的变化规律，即管径大小 对本试验测试结果无明显影响。李珠【1 8 】进行了压力管道在强冲击作用下的断裂问 题的试验研究，为理论分析奠定了基础，为输送高压流体介质管网的耐撞性评价 和安全设计提供了可靠的分析方法和重要的技术参数。沈士洲1 明对含腐蚀凹坑缺 陷的压力管道进行了试验研究，得到了含不同球形凹坑缺陷压力管道在内压和弯 矩联合作用下的极限弯矩载荷，在此基础上提出了在役含球形凹坑缺陷管道的安 全评定方法。韩良澍2 0 1 对含局部减薄缺陷不同尺寸管道试件进行了试验研究，观 察了若干个含局部减薄的干涉效应，得到了局部减薄之间的干涉规律。孙洪彬【2 1 1 对含球形凹坑缺陷的压力管道进行了试验，用零曲率准则确定了含球形凹坑缺陷 的压力管道的试验极限载荷。郑逸翔【2 2 1 试验研究了无缺陷直管与含局部减薄直管 在内压、弯矩、内压和弯矩联合作用下的塑性极限载荷，考察了各个参数对极限 载荷的影响规律。 这些含缺陷压力管道研究计划，对现有的压力管道安全评估技术进行了改 进，并提出了一些新的理论和评定技术，从而大大推动了压力管道完整性评定技 术的进展。 逝选太堂亟堂僮j 金室箍! 重绪途 1 2 2 国内外含缺陷压力管道安全评定规范简介 国际上从上世纪7 0 年代末就开始重视压力管道缺陷评定的研究工作。美国、 英国、德国、法国等国家在压力管道领域展开了许多研究工作，其中有多项是国 际合作的项目。研究目的包括分析含缺陷压力管道的破坏机理和失效模式以及承 载能力等，同时寻求它们与管道材料、结构缺陷尺寸等参数间的关系，建立压力 管道缺陷评定方法，制订和修订相应的评定标准或准则，从而保证在役压力管道 的安全运行。至今，美国、英国、德国等都提出了有关的评定方法，取得了巨大 的经济效益和应用价值。例如，美国石油协会a p l l l 0 4 ( 焊接管道及有关附件标 准) ( 2 3 1 ；英国标准协会b s i4 5 1 5 ( 地面及近海钢制管道焊接过程标准) 2 4 1 ；英国中 央电力局c e g b p h r 6 第3 版含缺陷结构完整性的评定【2 5 1 ；美国e p r i n p 2 4 3 1 含缺陷核压力容器及管道的完整性评定规程等【2 6 】。其中a p l l l 0 4 和b s l 4 5 1 5 是针对非核管道而言的，标准中都包括管道安装的焊接程序及质量验收标准，并 且在附录中给出了以断裂力学为依据的缺陷评定标准，是较为简洁的评定方法。 其中c e g b p h r 6 评定标准( 简称r 6 评判标准) 是世界上最先进的评定方法之 一，但评定程序较为复杂【2 刀；e p r in p 2 4 3 1 标准类似于r 6 评判标准，采用了“双 判据”评判思想，用工程估算方法估算断裂参量代替r 6 方法必须用精确的有限 元方法。此外，围绕压力管道的缺陷评定进行了大量的研究，取得举世瞩目的成 果，有些成果已被编入美国a s m e 锅炉及压力容器规范第x i 篇中。这些成果与 标准也将是我国规范研究的主要参照依据，其中较为突出的有： ( 1 ) 英国含缺陷结构完整性评定标准( r 6 ) 【2 8 】 r 6 是带缺陷结构的完整性评定( r h 依6 ) 的简称，它是由英国原中央电力局 ( c e g b ) 于1 9 7 6 年提出来的，也是最早提出失效评定图( f a d ) 方法的标准， 其后，于1 9 8 6 年c e g b 发表r 6 第3 版，它考虑了材料应变硬化效应，以j 积 分理论为基础，对裂纹延性稳态扩展的处理方法有重大改进，提出了缺陷评定的 三种类型分析方法。第3 版的r 6 被世界各国许多缺陷评定规程或标准引用，成 为一种世界上先进的缺陷评定方法。r 6 研究组根据自已发展计划并吸收世界各 国研究成果于2 0 0 1 年再次颁布了第4 次修订版，对失效评定曲线作了一些修改， 并增加了一些新的评定内容和评定方法，比第3 版r 6 更具有先进性【2 9 1 。r 6 失 效评定图技术的关键是失效评定曲线( f a c ) ，如图1 - 1 所示，其横坐标l 表示含 裂纹构件接近塑性屈服的程度，由公式( 1 1 ) 表示； ， 能产生一次应力仃p 的总外加载荷 p ，、 ，= ：一= = 一 i - l - 含裂纹结构的塑性极限载荷 只 p 叫 纵坐标k ，表示接近线弹性断裂的程度，由公式( 1 2 ) 表示； g ，u 之 m 2 ， 将含缺陷结构计算的、墨点在失效评定曲线图上，若评定点落在失效评定 曲线下方，则缺陷是可以接受的；若落在失效评定曲线上方，则为裂纹起裂的极 限条件；若评定点落在失效评定曲线上方，则认为缺陷是不可以接受的。 上t 图1 - 11 1 6 失效评定曲线 ( 2 ) a s m e 管道缺陷评定规p o 国际上美国国家标准a s m eb 3 1 1 动力管道b 3 1 3 化工厂和炼油厂管 道是最有影响的管道标准，对材料的许用应力，安全系数，应力校核方法，设 计方法和施工验收工作都作了详细的规定。a s m ex i 中有两个管道面型缺陷评 估方法，即和奥氏体不锈钢管道相关的i w b 3 6 4 0 及附录c ，以及和铁素体碳钢 管道相关的i w b 3 6 5 0 及附录h 。a s m e 评定规范不仅能评定弹塑性断裂失效、 脆性断裂失效，还可以评定塑性断裂失效。同时，它们都是采用塑性极限载荷解 除以弹塑性校正因子( z 因子) 来评定结构的承载能力。 ( 3 ) 美国e p r in p 一2 4 3 1 评定规程【3 1 】 e p r in p 2 4 3 1 评定规程即含缺陷压力容器及管道的完整性评定规程是 1 9 8 2 年美国电力研究院( e p r i ) 在研究弹塑性断裂理论和r 6 失效评定图的基础 上提出来的。该规程分为两部分，第一部分是核压力管道的完整性评定规程，用 于典型的核压力管道评定，并且限于壁厚大于或等于10 2 m m 的铁素体钢材；第 二部分是核级管道及其它非压力容器部件的完整性评定规程，用于其它钢材，并 能适用于更薄截面的部件，它还涉及二次应力的影响。特别是e p r i 通过管道在 外载作用下产生断裂推动力( j 积分) 与管道材料对撕裂的阻力( 以) 阻力曲线进 行比较，从而得出裂纹起裂和塑性失稳失效的判据( ，= j 妒) ，为j 积分能用于 管道缺陷安全评定提供了条件。同时它还第一次提出了以j 积分为理论依据的 失效评定图方法，完善了失效评定图技术。 ( 4 ) 美国石油学会a p i5 7 9 ：2 0 0 0 1 3 2 】 近年来，美国结构完整性评定技术有很大发展，在规范中最引人注目的就是 美国石油学会的a p i5 7 9 ：2 0 0 0 ( 推荐用于合乎使用的实施方法) 。a p i5 7 9 的 工业背景是针对石油化工承压设备，反映了石油化工在役设备安全评估的迫切需 要。与其它标准不同之处是不仅包括在役设备缺陷安全评估，还在较大范围内给 出了在役设备及其材料退化损伤的安全评估方法。并且有很多内容是其他标准未 讨论到的，如均匀腐蚀的评定，局部减薄及槽状缺陷的评定等。 我国对压力管道的管理起步较晚，1 9 9 4 年国家劳动部才成立了压力管道监 察处，于1 9 9 6 年才颁布了压力管道安全管理与监察规定，该规定明确要求 对压力管道进行检测和检验，要求查清压力管道的隐患，必要时进行安全评定。 国家也花费了大量人力物力针对压力管道安全评定规范进行研究。”九五”期间 组织了全国7 个系统2 9 个单位的13 0 多名专家、学者和工程技术人员完成了国 家”九五”科技攻关课题”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”的联合攻关。在广泛地分析国内外相关安全评定规范报告的基础上，环 绕在役含缺陷压力管道评定关键技术开展专题研究，于2 0 0 1 年提出了一个含 缺陷压力管道安全评定建议稿。又依据“合乎使用”和“最薄弱”原则，于 2 0 0 4 年编制完成的国家标准g b t 1 9 6 2 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定 3 3 1 ，是一种适用于工程实际的安全评定方法。其中附录g 和附录h 分别给出了 压力管道直管段平面缺陷和体积缺陷安全评定方法。 附录g 压力管道直管段平面缺陷安全评定方法给出了在内压、拉力、弯 矩的组合载荷作用下，含裂纹、未熔合、未焊透等平面缺陷钢制压力管道直管段 安全评定方法。其中对压力管道含轴向面型缺陷管道评定采用失效评定曲线簇 8 法，该失效评定曲线簇是由华东理工大学刘长军博士结合r 6 o p 1 曲线和 r 6 一o p 2 曲线，用r a m b e r g o s g o o d 关系材料的e p r i 工程方法推得的严格失效 评定曲线簇。原则上可用于拉、弯、扭等组合载荷作用下的周向面型缺陷管道的 安全评定【3 4 1 ；对压力管道周向面型缺陷的安全评定采用u 因子工程评定方法， 该方法适用于扭矩不大时的周向面型缺陷管道评定，可应用于任意应力应变关系 材料、任意材料断裂韧度、能自由选择安全系数的简化因子工程评定方法，以启 裂为断裂判据。该方法评定过程简单，只需要进行简单的算术运算就可以完成在 拉、弯、扭、内压联合载荷作用下的周向面型缺陷的安全评定【3 5 】。 其中附录h 压力管道直管段体积缺陷安全评定方法针对压力管道周向面 型缺陷和压力管道体积型缺陷提出了一种安全评定的方法，给出了在内压、弯矩 组合载荷作用下，夹渣、局部减薄等体积型缺陷及特定未焊透缺陷的钢制压力管 道直管段安全评定方法。该评定方法适用于压力管道直管段上的局部减薄缺陷和 钝端宽间隙未焊透缺陷，管道主要承受弯矩和内压载荷的联合作用并且材料具有 良好延性。评定采用的安全判据为：工作内压p 与如仅有内压载荷的该局部减薄 区管道的塑性极限压力计算值之比的平方，与工作弯矩与如仅有弯矩载荷 时该局部减薄区的塑性极限弯矩计算值m b 之比的平方之和，不得大于0 4 4 。 否则不能保证安全即： ( 毒 2 + 2 姐销 ”3 ， 其中表示含缺陷管道在纯内压载荷下的塑性极限内压，蚝表示含缺陷 管在纯弯矩载荷下塑性极限弯矩，分别按式( 1 - 4 ) 和式( 1 - 5 ) 确定： 兄= 弘置。 ( 1 4 ) m b = m 岱m 踟 ( 1 - 5 ) 凡。和为无量纲系数，根据缺陷的尺寸来确定。且。为无缺陷管道在纯内 压下的塑性极限内压，坞。为无缺陷管在纯弯矩载荷下的塑性极限弯矩。置。和 蚝。分别按公式( 1 - 6 ) 和( 1 7 ) 计算： 气2 右町h 等( 1 - 6 ) 9 m b o = 4 仃r 宰 ( 1 - 7 ) ，一，。 ) 式中：仃，代表流变应力，r o 、l 为直管的内外径值。 国家质检总局锅检中心陈钢【3 6 1 根据清华大学提供的极限载荷有限元分析软 件计算了不同管道尺寸和局部减薄尺寸的极限载荷计算实例2 5 0 0 个，对这些数 据进行了归纳整理后得出无论含缺陷压力管道处在受纯内压、纯弯矩还是内压和 弯距组合载荷条件下，式( 1 3 ) 都具有较高的精度，能满足工程需要。此外， 该规范还给出了免于评定的缺陷尺寸，只要缺陷小于这个尺寸，不进行安全评定 也能保证安全【3 7 1 。 1 3 国内外含缺陷压力管道安全评定的发展趋势 1 3 1 国外合缺陷压力管道安全评定的发展趋势 目前而言，国际上对含缺陷压力管道失效研究和安全评定研究工作还在不断 的深入进行，总的来讲在该领域的研究工作主要有三大趋势： ( 1 ) 工程化。随着压力管道缺陷评定工作的广泛开展，要求评定方法向工 程化方向发展。即研究人员尽量采用简单的计算方法，并得到较接近实际的满意 结果，以满足工程近似需要。目前许多学者正在致力于评定方法适合于工程应用 的需要，从复杂三维有限元计算，到弹塑性断裂力学的评定，再从弹塑性断裂力 学评定中，采用简化归纳、试验验证使之满足工程实用性【3 8 1 。 ( 2 ) 可靠性。在工程实际中，无论是管子的尺寸、缺陷的不规则化，还是 材料性能参数都不是确定值，而是以一定的规律分布的。随着可靠性理论的应用， 对压力管道的缺陷评定结果也提出了可靠性指标。如h o n g ，s y 以疲劳裂纹扩 展为机理，考虑参数不确定性，分别用p a r i s 公式计算裂纹在深度和长度方向的 随机扩展，在压力管道的先漏后爆评定中，得到了压力管道的泄漏概率和爆破概 率。 ( 3 ) 高效性和智能化。随着电子计算机和有限元方法的迅猛发展，研究重 点越来越转向寻找计算效率高并且切实可行的数值计算方法。目前建立了多种有 关的算法方式，除弹塑性有限元中的逐步加载法外，大多数方式主要是根据有限 元和数学规划方法相结合而建立的。用数学规划方法分析理想刚塑性体的极限承 堑江太堂亟堂僮论塞箍! 童绪i 金 载能力，不涉及加载过程，能克服一般逐步加载法计算所遇到的困难。有限元法 与数学规划理论的结合，是目前处理复杂结构极限分析问题的主要方法。随着计 算机的广泛应用，用于含缺陷压力管道安全评定的计算机软件和专家系统也应运 而生。国际上，如美国b a t t e l l ec o l u m b u sl a b o r a t o r y 编制的软件n r c p i p e ，用 于计算含裂纹管道的起裂载荷和最大承载载荷例；德国s t u t t g a r t 大学国立材料研 究所( m p a ) ，编制了专家系统e l b a ，用于对含纵向裂纹管道的安全评定；美国 的b m w 系统，可用于锅炉管道的安全评定。 1 3 2 国内含缺陷压力管道安全评定的发展趋势 我国压力管道安全评定的研究工作起步较晚，但近年来引起了人们的高度重 视。由于我国学者有扎实的断裂力学的理论基础，又有国外大量的研究成果可以 借鉴，因此起步水平较高，发展较快，根据我国情况，其发展具有下面几方面发 展趋势。 ( 1 ) 本土化。我国的含缺陷压力管道安全评定研究工作基本上是根据我国 的实际情况来制订研究计划的。这是由于国外在该领域的研究主要集中在核电工 业，其材料也主要是核管道用材。而对于我国而言，核电工业刚刚起步，仅有的 几个核电站运行时间也还没有达到设计的使用寿命，安全隐患较少。作为研究工 作更应该面对的是急需解决的实际工程问题，因此我国的含缺陷压力管道安全评 定主要研究对象为石油、化工、电力及民用工程如城市煤气等压力管道，以大大 减少这些领域内管道产生灾难性事故的发生率。 ( 2 ) 工程实际化。除评定方法更简便、更适合于工程应用外，更应该从工 程实际出发开展研究，得出更符合工程实际情况的结论。国外研究目前都集中在 含裂纹的管道，但从我国管道检测的大量结果看，其中未焊透、夹渣及气孔等缺 陷更为普遍，因此研究含未焊透、夹渣及气孔等缺陷管道的失效行为更符合我国 的工程实际要求。 ( 3 ) 数值模拟和试验研究相结合。随着计算机应用的逐步普及，数值模拟 由于其高效、经济的特点为压力管道安全评定的发展提供了方便的条件。我国已 有多个研究机构采用a n s y s 有限元程序对含缺陷压力管道进行承载能力分析计 算h o 。南京工业大学沈士明教授编制了“含焊接缺陷结构疲劳可靠性评定的专家 系统”提出了疲劳模糊评定图，还将人工神经网络方法应用于含缺陷压力管道 疲劳寿命预测和承受外弯矩能力的评定【4 1 1 。除了数值模拟之外，我国压力管道研 1 1 究项目也在经费有限的情况下，积极开展试验研究工作，并且取得了一定的进展， 并为有限元模拟分析计算和理论研究提供了宝贵的验证性试验数据【4 2 】。 尽管国内外压力管道缺陷安全评定技术的研究已经取得了较大进展，制定了 一系列标准规范，取得了明显的社会效益和经济效益，对于保障工业压力管道的 安全运行具有重要贡献。但是目前国内外尚没有专门针对含未焊透缺陷而进行的 研究计划和安全评定规范。目前，含未焊透缺陷的压力管道安全评定一般采用两 种方法，一种方法是将其视为内表面裂纹对待，另一种是将其简化为局部减薄的 体积型缺陷，这种分类方法不能真正体现未焊透缺陷的失效情况。因而有必要建 立一种针对未焊透缺陷的压力管道安全评估方法。 1 4 含未焊透缺陷压力管道失效模式与缺陷评定方法 1 4 1 含未焊透缺陷压力管道潜在的失效模式 因压力管道使用材质的不同，含缺陷压力管道的母材和焊缝潜在的失效模式 有三种，即脆性断裂失效、弹塑性断裂失效及塑性极限载荷失效。此三种失效模 式具有不同的失效机理，在失效评定图上分别处于不同的区域，如图1 2 所示， 显然，压力管道缺陷的失效评定点( l r ，k r ) 落在不同的区域，则对应于不同的 失效模式。 a 代液镌麟必缓浞 鞋代凌弹糍馊断璇 c 聪代橇镳性失镶 图l - 2 含缺陷压力管道的潜在失效模式 ? 雌o 。2 逝江叁堂亟堂僮! 金塞簋! 童绪! 坌 对于韧性较好的管道母材，潜在的失效模式为塑性极限载荷失效，因此，可 直接以塑性极限载荷作为管道的极限承载能力进行缺陷评定。对于铁素体钢管 道，脆性断裂失效、弹塑性断裂失效及塑性极限载荷失效三种模式均有可能发生。 根据上述三种失效模式分别采用不同的方法进行安全评定：对于脆性断裂失 效评定可采用应力强度因子判据k 。k 虻( k 。表示应力强度因子，k 虻表示断裂 韧性) 。对于弹塑性断裂失效评定可用基于j 积分的工程简化评定方法，目前较 为成熟的是应力乘子法和降载系数法，即将弹塑性断裂失效评定转化为塑性极限 载荷控制的简单表格进行评定，此简化不需要进行塑性断裂分析计算，而是借助 塑性极限载荷失效的极限载荷公式，并用简化后的表达式算出相应的应力因子， 就可以得到压力管道不发生弹塑性断裂失效的最大载荷估计值，再考虑适当的安 全因数，即可确定该压力管道的许可外加载荷。对于以塑性极限载荷为失效模式 的含缺陷压力管道，其失效评定准则是控制外载荷不超过含缺陷压力管道的塑性 极限载荷。因此，准确地预测含缺陷压力管道塑性极限载荷，成为管道塑性极限 载荷失效评定的关键和主要内容。 1 4 2 含未焊透缺陷压力管道的极限分析法 对于本文研究内容来讲，仅考虑形状相对简单的含未焊透缺陷压力管道直管 段，