（化工过程机械专业论文）大型石油储罐的腐蚀疲劳寿命研究.pdf

摘要 | f i f f | i f l | f | f l f i f f i f | f l f l l f f m y 2 0 8 4 213 腐蚀疲劳是材料受腐蚀介质与疲劳载荷共同作用而破坏。腐蚀疲劳是一种很 危险的破坏形式，它出现的时间和位置都很难事先预计。影响其行为的因素包括 环境因素、冶金因素和力学因素等多方面，其行为错综复杂，腐蚀疲劳的机制与 具体的材料环境载荷系统有关，目前，还没有任何一个模型能够针对各种材 料和多种环境。 目前大型储罐和罐区的风险分析技术在我国处于起步阶段，现有的石油库安 全管理规范与安全保障体系远不能满足要求，大型罐区风险分析技术的研究与开 发迫在眉睫。本课题系中国石油化工股份有限公司科技项目“大型罐区风险分析 技术体系的研究与开发”的一部分，开展大型石油储罐材料的腐蚀疲劳研究将为 大型石油储罐的疲劳寿命预测以及风险评价提供依据，具有重要的工程应用价 值。 论文以1 2 m 口n i v r 钢为典型工程应用材料，研究其在储罐污水溶液中的疲劳 裂纹扩展特性。通过1 2 m n n i v r 钢腐蚀疲劳裂纹扩展试验研究，得到了1 2 m n n i v r 钢在储罐污水溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。对大型石油储罐在静力( 水压试 验) 和风载作用下应力状况进行了有限元模拟，并据此结果进行了水压试验下储 罐的应力强度分析和风载情况下的疲劳分析。针对射线探伤级的平面缺陷和气 孔率5 的体积型缺陷，依据在用含缺陷压力容器安全评定对大型石油储罐 高应力强度部位进行缺陷评定，疲劳评定和腐蚀环境下的疲劳寿命预测。 主要研究结论如下： ( 1 ) 在空气和原油储罐的污水溶液环境下，1 2 m n n i 己钢焊接接头的疲劳 裂纹扩展速率基本一致。在加载频率为1 0 h z ，应力比为o 1 的条件下，原油储罐 的污水溶液对1 2 m 【】n i v r 钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率没有显著影响。 ( 2 ) 石油储罐大角焊缝处的有限元应力计算结果表明，罐底板与底层罐壁 连接处是整个石油储罐受力最复杂，最危险之处，设计与制造时应采取措施降低 大角焊缝处应力，使整个石油储罐的应力分布更均匀；有限元模拟分析得到的水 压试验下石油储罐各壁板的应力强度均能满足应力强度评定要求。 ( 3 ) 原油周转和风载作用情况下的疲劳应力强度幅均小于j b 4 7 3 2 9 5 规定的 交变应力强度幅许用值，石油储罐在设计寿命内可以安全运行。 ( 4 ) 在风载作用下，对于级表面裂纹和埋藏裂纹，石油储罐可免于疲劳 评定：在原油周转情况下，对于级表面裂纹和埋藏裂纹，石油储罐在设计寿命 内都不会失效；在风载和原油周转共同作用情况下，对于级体积缺陷，储罐在 设计寿命内不会发生失效。 关键词：1 2 m n n i v r 钢焊接接头腐蚀疲劳疲劳裂纹扩展速率有限元法缺陷评定疲 劳评定寿命预测 a b s t r a c t c o r r o s i o nf a t i g u ei sad e s 蚋j c t i v eb e h a v i o ro fm a 圭e r i 甜su n d e rt l l ec o m b i n i 耐 a c t i o no fc o r r o s i v em e d i u m 觚df a t i g u el o a d i i 玛ni sav e 巧d a l 培e r o u s 妇n a g ef o r m ， w h o s eh a p p e d j i l g 劬ea n dp o s i t i o ni sl l a r d l yp r e d i c t e dp r e 访o l l s l y t h ei i l n u e n c i i l g t o r so fc o r r o s i o nf 缸i 母圮h l c i u d e 伽m r o n m e m a lf 狐o r s ，m e t a i l u r g i c a lf a c t o r s 砒l d m e c h a i l i c sf 如t o r s ，w h i c hm a k ec o n - 0 s i o nf a t i g u ev e 巧c o m p l i c a t e d t h em e c h a l l i s m o fc o r r o s i o nf - a t i 母l ei sc o n c e m e dw i t h 廿l es y s t e mo fm a t e r i a l ，e n v i r o n m e n t 趾d l o a d m g ，锄dy e tn om o d e li sm f o rm lm a t e r i a l sa n de 幽呦e n t sa tp r e s e n t n o wr i s k 卸融y s i st e c h n o l o g ) ，o fl a 唱e - s c a l eo i lt a n k 柚do i l t a 】止伊o u p sa r ea t n l e “t i a ls t a g ei j lo u rc o u l l 臼孓s e c u r i t ) rm a m 咯e m e mc o d ea l l ds 疵哥珈dp r o t e c t i o n s y s t e mi ne x i s t e n c e 龇a d yf o rc m d eo i lr e s e eb 嬲ec 趾tm e e t 也er c q u i r e i 嘞t s n i s u 玛e n tt 0r e s e 部c ha n dd e v e l o pr i s k 锄a l y s i st e ( h n o l o g yf o rl 鹕e s c a l eo i lt a 】咄 g r o u p s t h ep a p e ri sp a r to fm et e c l l n o l o 舀c a lp r o j e c t 矗0 mc l l i mp e t r o c h e m i c a l c o 驴r a t i o nl i n l i t e d “r e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e n to fr i s k 锄a l y s i st c c h n o l o g ys y s t 锄 f o rl 鹕e - s c a j et a n kg r o u p s ”s t u d yo nc o n 0 s i o nf a t i 母l eo fl a r g e s c m eo i lt 孤l l 【 诚他r i a l 丽l lp r o v i d ear e f e r e l l c ef o r 蛳g u el i f ep r e d i 砸0 na n dr i s k 髓a l y s i so f l a 玛e - s c a l eo i lt a ：n k t h e 、o r km e n t i o n e da b o v ei sv 芒巧i i r l p o r t a ma n dv 2 l l l b l ef o r e n g i n e e 血g 印p i i c 撕o n 12 m 1 烈i v r 妣e li sa 咖i c a l l a 矧a lu s e di ni i l m 哪：i t sb e h a v i o ro fc o 玎o s i o n 僦舒圮c r a c kg r o w mr a t ei nd i 啊w a t e ro f o i lt 龇1 kw 嬲s t l j d i e di n 也ep a p e r b a s e do n t h ee x p e r i i 嘲ts 呻；t 1 1 ec o n 0 s i o n 矗l t i g u ec r a c kg r o w 出r a t eo f12 m n n i v rg t e e lc 砚 b e 蛐e d f “t ee l 锄e n ts i n l l l l a l i o nw 嬲u s e dt 0 砌1 u s 眈s ss i t u a t i o no f l a 玛e - s c a l eo n 伽出u n d e rb 捌i c t e s ta n d 删1 0 a d ，a n da t 也es 锄e6 m e 如期1 9 m a r 脚y s i su n d e rh y 出a 讧l i ct e s ta n df a t i g u ea n a l l y s i s 啪d e r 谢n dl o a dh a v e b e e nf 砬s h e d w t hm ep 1 卸1 1 a rd e f e c ta t1 e v e l b yx 啪y 妇p e c t i o n 硼m5 p o r o s 时w h i c hi s r c g a r d e d 嬲v o l u m e t r i cd e f e c t ，d e f e c t 舔s e s s m 钮t ，f i a t i g u e 嬲s e s s m e m 觚dl i f e p r e d i c t i o nu n d e rc 0 仃0 s i o ne n v n n i n e n th a v eb e 饥雎以ea c c o r d 血gt 0 s a f - e t ) r 鼬s e s s m e n tf o ri i l s c r v i c ep r e s s u r ev e s s e lc o n t a i l l i n gd c f e c t s ” i i i m a i l lr e s e 锄c hr e s u | t sw e i i ea sf o u 0 w s ： ( 1 ) f 撕g u ec r a c kg r 0 、砒r a t eo f w e l d e d j o i n tf o r1 2 m 】【1 n i v r 妣e li nb o n la i ra i l d d k 眵w 栅o f o i lt a n kw e r es m l a rt 0e a c ho t h e r u n d e r 也ec i r 饥i m s t 龇l c e so fl o a d i i l g 6 - e q u e n c y1o k ，g 吮s sr a t eo 1 ，e x p 鲥曲e n t a lr e s u l t si i l d i c a t e 廿1 a t 廿l ed i r 眵w a 氲e ro fo i l t a n kd o e s n tk l v er e m a r k 出l ei n n u e n c eo nt 1 1 ec r a c kp r o p a g a t i o ng r o w mr a t eo ft i l e b 甜j o 缸o f1 2 m 1 1 n i 妣e 1 ( 2 ) f i n i t ee l e m e n ts t r e s sr e s u l t sf o rt h ew i d e - a n g l ew e l d e dj o mo fb o t t o mp l a ：t eo f o i lt 乏m ks h o wt l l a tt h ec o 曲e c t i o np o s i t i o no f b o t t o mp l a t e 砌m el o w e s ts h e uw 孙i n 也es t a t eo fc o i n p l i ca = t es 仃e s s ，砌c hi s 也em o s td a i l g e r o u sp l a c e m e a s u r e ss h o u l db e t a k e nt 0d e c r c 硒e 也es 仃e s s 龇l dm m m es t r e s sm o r eu n i f o mi nd e s i 咖g 觚d m a n u 矗蚓c u r i i l g i ks 廿e s s 毗时o f e a c hs h e no b t a i m db y 觚t ee l e m e n t 觚m y s i si n h y d r a l l l i ct e s ts h o w sm a tt h es 廿e s si i i 治啮i t yo fa n yp l a c eo f0 i 1t a n kc a nm e e tm e d e m a i l d so fs 仃e s s 硫e i l s i t ya s s e s s m e m ( 3 ) s t r e s sm e n s 埘a l p l i t u d e 砌u c e db yo i lc y c l e0 r 讹dl o a dw a sl e s s 姗m e 甜t 锄a ：t i n gs 雠s s 硫e n s 埘锄叩l i t u d ea l l o w | e db y 旧4 7 3 2 9 5 o i lt a 】血c o u l dm ns a f e l y i 1 1 也ep e r i o do fd e s i g n1 i f e ( 4 ) w 池s u r ec r a c k0 rb u r i e dc r a c ka tl c v e l ，o i lt a n kc a nb en e 丘o m f a t i 罂l ea s s e s s m e n tu n d e rw i i l dl o a d ，a n do i lt a n kc o m dw o r kn 0 皿a l l yi nt 1 1 ed e s i g n l i f e 岫d e rt h cc o n d i t i o no fo i lc y c l e i n 吐1 ec h l 肋s t a l l c e so fo i lc y c l e 觚d 、) l ，砌l o 如 晰也5 p o r o s i t yw h i c hi sr e g a r d e d 蕊v o l u m e t r i cd e f e c t ，o i lt a 】 1 kw o l l l d 砌s a f e l y 逾 t 1 1 ed e s i g i ll i f e k 呵w o r d s ： l2 m l 】n i v rs t e e l ；w 色l d e djo m ；c o n d s i o nf a t i g u e ；f a t i g u ec r a c k g r o w n lr a t e ；f i i l ke l e m e n tm e t h o d ；d e f e c t 硒s e s s m e n t ；f a t i 蛰硷a s s e s s m 咖；l i f e p r e m c t i o n i v 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 储罐是油库、港口和石油化工储存液体原料、中间产品的重要设备之一。对 于原油管道运输业来讲，更是必不可少的设备。目前所使用的油罐容积规格有 1 0 0 0 0m 3 、2 0 0 0 0m 3 、5 0 0 0 0m 3 、1 0 0 0 0 0m 3 ，按结构可分为拱顶油罐和浮顶油罐。 近几年，在油罐大修过程中发现，油罐腐蚀比较严重，特别是罐底板大面积腐蚀， 腐蚀坑深达4 5 m m ，腐蚀坑分布率达2 0 2 5 个m 2 ，且局部腐蚀穿孔。浮船单 盘的腐蚀更为严重。腐蚀造成单盘板大面积减薄5 0 6 0 ，且局部穿孔，最大的 孔达3 0 0 2 0 0 m m 。据有关调查资料分析，在油罐腐蚀中，单盘腐蚀占6 0 ，底 板腐蚀占4 0 ；腐蚀穿孔漏油而造成的罐停运中，底板占7 6 4 ，浮船单盘穿孔 占2 3 6 。因此加强油罐的防护，选择合适的防腐措施，对于提高油罐的使用寿 命，减少油罐事故发生率将是很重要的l l 】。 目前大型储罐和罐区的风险分析技术在我国处于起步阶段，现有的石油库安 全管理规范与安全保障体系远不能满足要求，大型罐区风险分析技术的研究与开 发迫在眉睫。本课题系中国石油化工股份有限公司科技项目“大型罐区风险分析 技术体系的研究与开发”的一部分，大型石油储罐材料的腐蚀疲劳研究可为大型 石油储罐的寿命预测以及风险评价提供依据，具有重要的工程应用价值。 1 2 腐蚀疲劳简述 腐蚀疲劳是材料受腐蚀介质与疲劳载荷共同作用而破坏。腐蚀疲劳是一种很 危险的破坏形式，它出现的时间和位置都很难事先预计。影响其行为的因素包括 环境因素、冶金因素和力学因素等多方面，其行为错综复杂，腐蚀疲劳的机制与 具体的材料环境载荷系统有关，目前，还没有任何一个模型能够针对各种材料 和多种环境【2 】。 外部的固态、液体和气体介质都可能使工程材料的疲劳性能下降。在循环加 载条件下，致脆环境可以促使初始无裂纹材料加速形成表面裂纹，并促使其扩展 到一定的尺寸。腐蚀疲劳是材料在循环应力和致脆介质共同作用下的损伤和破 第一章绪论 坏，这两种作用的组合比其中任何一种单独作用都有害的多。这是因为交变载荷 加剧了腐蚀作用，而腐蚀作用又加快了疲劳裂纹的扩展【2 】。 由于实际工况下很少有真正的惰性环境( 真空、惰性气体) ，空气、纯水对 许多金属都是活性介质，更不要说海洋环境中的水汽、盐分，化工工厂环境中的 c d ，觚，a ，等，因此发生腐蚀疲劳的情况很多，只是有些尚未被认识【3 】。 在循环加载条件下，水溶液可以促使初始无裂纹的材料加速形成表面裂纹并 促使其扩展到一定的尺寸，这就是水溶液环境下的腐蚀疲劳行为，其包括腐蚀疲 劳裂纹萌生和腐蚀疲劳裂纹扩展两个过程。 1 2 1 水溶液环境中疲劳裂纹萌生机制 在水溶液环境中，腐蚀疲劳裂纹的萌生机制曾被描述为如下4 类中的至少一 类【4 1 ： ( 1 ) 点腐蚀，这时的裂纹形核与腐蚀形成的点蚀孔有关； ( 2 ) 强烈变形的材料引起局部阳极作用而未变形材料则引起局部阴极作用， 前者优先溶解； ( 3 ) 膜的断裂，这时保护型的表面膜( 如氧化膜) 由于周期性变形而开裂， 这就导致发生腐蚀； ( 4 ) 由于环境质点的吸附作用和显微裂纹扩展的推进而使表面能降低。 裂纹萌生机制与材料和环境两者有关。换句话说，不同种类的金属和合金可 能有不同的裂纹萌生机制，即使材料是相同的，环境条件的变化也可以改变裂纹 萌生机制，没有一种完善的、可以使人接受的腐蚀疲劳裂纹萌生过程的模型能适 应任何材料一环境体系。 疲劳裂纹萌生是一个局部过程，它往往发生在金属表面上的某一点。如果把 金属表面暴露于侵蚀性环境，就会加速疲劳开裂过程。因此，这是一个高度局部 化的发生过程，而不是一个全面腐蚀过程，并且损伤集中在局部位置的破坏速率 比全面破坏的速率更为严重。环境因素的变化可能改变集中发生的局部破坏速 率，从而改变疲劳裂纹萌生的特征位置。例如，当环境的侵蚀性变得很大时，疲 劳裂纹萌生的部位可以从晶粒内的滑移台阶转移到晶界。腐蚀疲劳裂纹萌生的这 种局部化性质以及竞争性的破坏过程使得难以用实验来鉴别裂纹成核的控制机 2 硕士学位论文 理。 普遍观察到的一种腐蚀疲劳裂纹萌生过程是，由于滑移台阶显露或者通过交 错滑移机理而形成稳定滑移带，它们遭到腐蚀介质的优先破坏，引起局部位置的 应力增强，随后导致早期开裂。腐蚀增大了稳定滑移带的密度，导致裂纹形成位 置的数目增纠5 1 。 1 2 2 水溶液环境中疲劳裂纹扩展机制 腐蚀疲劳裂纹扩展时所发生的主要过程如下：首先，本体介质中的反应剂必 须迁移到裂纹尖端区域。通常，裂纹尖端附近的局部溶液实质上与本体溶液是不 同的。h a n t 等人f 6 】曾经讨论了为提出这方面模型的困难和复杂性。还必须注意， 裂纹尖端处的局部化学性质可能会由于存在着腐蚀产物而受到影响。所以，这些 腐蚀产物的迁移速率也是很重要的。腐蚀产物堆积在裂纹尖端处可能改变局部应 力，它是通过对裂纹闭合状态的物理影响而起作用的。 如同腐蚀疲劳裂纹的萌生一样，腐蚀疲劳裂纹的扩展也是局部性的。在环境 加速的疲劳裂纹扩展中可能起作用的机理至少有六种类型【7 】： ( 1 ) 反应剂迁移到裂纹尖端区和从裂纹尖端区去除腐蚀产物； ( 2 ) 通过表面环境反应产生某些有害的化学物质( 如氢) ，它们扩散到 裂纹尖端前部的区域中并促使裂纹加速扩展( 如通过局部氢脆作用) ： ( 3 ) 裂纹尖端处的阳极溶解； ( 4 ) 通过疲劳开裂重复产生新断裂的新鲜裂纹表面； ( 5 ) 由于周期性应变使表面保护膜断裂； ( 6 ) 氧化皮和腐蚀产物堆积在裂纹开口处，影响了裂纹的闭合状态和裂纹尖 端处起作用的局部应力场强度。 从外加应力场强度的观点来看，通常认为腐蚀疲劳裂纹扩展与静载荷下应力 腐蚀开裂的某个表观临界值k ，肼有关。金属材料的腐蚀疲劳裂纹扩展行为可以 分为3 类【9 】，如图1 1 ( c ) 、( d ) 、( e ) 。m c e v i l y 和w e i 分别对它们作了示意表示。 图中( a ) 为惰性环境中的疲劳裂纹扩展行为；图( b ) 为持久载荷下的应力腐蚀裂纹 扩展。图( c ) 给出了所谓的真腐蚀疲劳裂纹行为。在真腐蚀疲劳中，环境因素本身 ( 即无循环载荷时) 对裂纹扩展没有影响。只有在循环加载条件下，环境通过使 第一章绪论 材料脆化的与时间有关的或温度有关的过程，或电化学过程使裂纹扩展速率增 大。即使循环载荷的最大应力强度因子k 嗽小于k 麟，真腐蚀疲劳过程对材料 的疲劳开裂行为也有一定的影响。图中( d ) 给出了所谓的应力腐蚀疲劳过程，它 是机械疲劳( 图中( a ) ) 和应力腐蚀开裂( 图中( b ) ) 的简单叠加。应该指出，仅当 r 缸 k 舣时才会发生应力腐蚀疲劳。真腐蚀疲劳和应力腐蚀疲劳结合起来产 生混合型的腐蚀疲劳行为，图中( e ) 对其作了示意描述。 l g ( k ) ( a ) l g ( k ) ( c ) l g ( k ) ( d ) l g ( k ) ( b ) l g ( k ) ( e ) ( a ) 惰性环境中的疲劳裂纹扩展行为； ( b ) 持久载荷下的应力腐蚀裂纹扩展； ( c ) 循环载荷与环境因素共同作用条件下的真腐蚀疲劳； ( d ) 由机械疲劳开裂( a ) 和应力腐蚀开裂( b ) 叠加得到的应力腐蚀疲劳行为； ( e ) 由( c ) 和( d ) 叠加得到的混合型腐蚀疲劳行为。 图1 1 机械疲劳和环境作用联合促进裂纹扩展的示意图 f i g 1 1d i a 蹦髓o f c 玎kp r o p a g a t i o ni n d u c e db ym e c h a i l i c a l 僦g u e 锄d 朋啊r o 姗e n _ t a lm e d i u m 4 硕士学位论文 1 2 3 水溶液环境中腐蚀疲劳的影响因素 w 西和s p e i d e l 引指出，有许多因素都可能影响到腐蚀疲劳行为。他们把这些 因素分为3 类：力学因素、冶金因素和环境因素。 1 3 常用大型储罐用材 储罐用材主要系碳钢、不锈钢和铝，除有腐蚀性的场合外，碳钢是储罐的主 要用材。而对于大型储罐，主要采用高强度钢。 对于大型储罐，荷兰壳牌公司在欧罗巴港建造的十万立方米原油罐，罐壁材 料采用的是s t 5 2 钢板。日本建造大型储罐多采用调质钢，如w e l n n 6 0 钢， 这种钢是以h w 5 0 钢为基础发展起来的。国内大型储罐用材主要有1 6 m n 、 1 6 m n r 等f 9 】。 目前常用的大型储罐用钢的化学成分及力学性能如下1 9 l o 1 1 ，1 2 】： 表1 1 常用大型储罐用钢的化学成分表 t l a b 1 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o 舾o ft l l es t e e l su s e df o rl a r g e - s c a l eo i lt a 】出 第一章绪论 由表1 - 2 可见，s p v 4 9 0 q 屈服强度，抗拉强度，延伸率等性能方面明显优 于国产钢材。在要求较高的场合，需要采用进口钢材，而在工程实际允许的范围 内，可以采用国产钢材以节约成本。 表1 2 常用大型储罐用钢的力学性能表 t a b 1 - 2m e c h a l l i cp r o p e r t i e so f 廿伦s t e e lc o m m o n l yu s e df o rl a 培e - s c a l eo i lt a 】咄 6 硕士学位论文 1 4 大型储罐的有限元应力分析 随着计算机技术的飞速发展，人们越来越多地运用有限元软件来模拟结构的 应力状态和变形情况。之前，已有很多采用计算机数值模拟的方法来分析储罐应 力状态的先例【抛n 。也就是采用通用有限元分析软件( 如a n s y s 、m s c 等) 对 大型储罐的结构、载荷情况、约束条件进行模拟，并通过后台计算来得到大型储 罐的应力分布状态。与理论方法相比，有限元方法简单明了，既可以了解储罐整 体结构的应力分布情况，也可以分析储罐危险区域的应力状态。 油罐大型化带来的一个问题就是大型油罐罐壁和罐底的应力分布情况变得 非常复杂，特别是油罐罐底区域的应力情况；油罐罐底区域包括罐底边缘板、底 圈壁板以及连接罐底边缘板和底圈壁板的大角焊缝。罐底区域是油罐受力最大的 部位，也是最危险、最容易出现事故的部位，因此对油罐进行应力分析，关键在 于要较为准确的分析油罐下节点区域的应力状态【”】。 王飞【1 3 1 提出了基于地基沉降量的罐底板应力有限元计算新方法，采用该方法 对罐底板的应力进行了计算。王飞还阐述了大型油罐有限元计算的基本步骤。 惠虎等人【1 4 】成功的运用a n s y s 软件对1 2 5 1 0 4m 3 的外浮顶式原油储罐在水 压试验时储罐的强度进行了分析。主要工作包括：侧壁环向应力的分布，侧壁轴 向应力的分布，侧壁径向应力的分布和罐底边缘板应力的分布。 马玉红、邹君【1 5 】按弹性地基梁假设，采用a n s y s 有限元计算软件提供的双 线性杆单元( l i n k l 0 单元) 等效替代罐底的单向弹性基础，对1 座搁置在钢筋混凝 土环梁基础上的5 0 1 0 4 m 3 大型储罐的罐底边缘区进行了有限元应力分析，得到 了较为精确和直观的计算结果。 陈志平叫针对新建的1 5 1 0 4 m 3 大型油罐，讨论了静态分析时有限元的建模技 术，重点比较了模拟“罐土”间相互作用的几种模型的特点，并在此基础上提出 了一种油罐地基与底板耦合的建模新方法。在其后，他还对大型油罐准静态象足 现象进行了有限元模拟。 7 第一章绪论 1 5 缺陷评定及寿命预测 1 5 1 缺陷评定 随着现代工业的迅速发展，压力容器也向大型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设备使用的严酷化等因素，压 力容器的安全及缺陷评定技术越来越显得重要。世界各国纷纷开展压力容器缺陷 评定技术的研究，从早期的线弹性评定方法到7 0 年代c o d 设计曲线方法，进一步 发展到基于弹塑性- 厂积分理论的双判据法即失效评定图( f a d ) 技术( 1 9 8 6 年英国 c e g b 的r h 爪6 第三版) 。从目前情况看，面型缺陷评定的工程方法已经基本成熟 o ( 1 ) 失效评定图技术的进展【2 3 3 3 1 目前世界各国普遍采用失效评定图( f a d ) 技术，且标准趋向统一。r 6 已经推 出第四版，我国基于失效评定图的新标准也已出台。由于压力容器的缺陷往往出 现在焊缝处，因此焊缝性能对f a d 的影响问题有较大的现实意义。温度对f a d 的 影响主要有高温蠕变问题和热应力的处理问题。 ( 2 ) 概率方法的应用进展【3 “2 】 概率断裂力学( p f m ) 的应用是缺陷评定技术的一大进步，概率断裂力学在压 力容器中的重要应用如下： 1 ) 验证压力容器的安全可靠性，即验证在不同工况下压力容器的断裂概率 是否低于容许断裂概率值。 2 ) 通过对不同工况下不同部位的缺陷进行断裂概率计算即可分辨其危险程 度，也可通过参数敏感性分析得到需大力研究的薄弱环节。 3 ) 经过概率断裂力学分析后，调整设计参数，改变选材标准，改进焊接工 艺措施等，从而使断裂概率减小。 4 1 当用确定论的方法对各部分安全裕度取值后，一般不易使诸安全裕度相 互协调或平衡，往往某一部分安全裕度过大，另一部分却安全裕度不足。而概率 断裂力学则可通过断裂概率计算，特别是通过参数敏感性分析完成。 5 ) 关于压力容器延寿问题，按确定论方法评价是否能延寿主要取决于原制 订的安全裕度大小这种延寿方法有很大局限性，按概率论方法评价是否延寿， 则依据按设计计算得到年后的断裂概率之比决定是否还能运行多少年。 8 硕士学位论文 ( 3 ) 智能方法的应用进展1 4 3 4 s 1 目前我国在这一方面的研究尚属领先，以戴树和为代表的中国学者在国内外 发表了一系列论文，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。 ( 4 ) 疲劳评定及寿命预测研究进展【4 ”2 】 疲劳评定是缺陷评定的一部分，将它单独加以讨论，主要是由于疲劳问题在 工程上广泛存在且其影响因素众多，因而成为当今世界研究的一个热点。疲劳评 定目前主要有两种方法：低周疲劳曲线评定法和损伤容限评定法。 ( 5 ) 面型缺陷评定【5 】 由于压力容器大多是焊接而成，其焊趾处因压力容器主要由于面型缺陷扩展 而失效，因此在这方面的研究较多。目前面型裂纹评定法主要有：直接实验法； 保守估计法；形状假定法和裂纹形状跟踪法。 1 5 2 寿命预测 腐蚀疲劳是一种特殊的疲劳，因此，疲劳寿命估算的模型可用于腐蚀疲劳寿 命估算。 疲劳寿命的不同估算方法的模型利5 4 l ： 1 ) s 一曲线方法，常用的数学模型是： 嬲肘= k ( 1 1 ) 式中为对应应力幅s 直至疲劳破坏的总循环数；k 和聊为通过疲劳试验 所确定的系数。 2 ) 断裂力学方法，常用的是p 撕s 公式【”1 ，即： 黑；c ( 从) 一 ( 1 2 ) 一= - i 八 i 一zj d n 、 式中，黑是裂纹扩展速率，赵是应力强度因子，c 和以为通过疲劳裂纹 d ，v 扩展试验得到的系数。 3 ) 损伤力学方法，常用的是c 鼢o c h e 非线性累积疲劳损伤数学模型，损伤 速率为： 筹= 【1 - ( 1 删川r 嚅】卢 ( 1 - 3 ) 9 第一章绪论 式中，d 为损伤因子，d = 彳4 ，其中么为损伤面积，4 为无损伤截面的 初始面积；仃为等效应力幅；a ，j 6 l ，m 为疲劳试验决定的系数。 4 ) 局部应力应变法，是用应变寿命曲线来估算疲劳寿命，曲线的方程是： 铲等+ 等= 譬( 毗灿咄嘶) 。 ( 4 ， aa占 。 式中，仃；和s ；分别为疲劳强度系数、疲劳延性系数；6 和c 分别为疲劳强 度指数，疲劳延性指数；s 。和s 。分别为塑性应变幅及弹性应变幅；g 。为总应 变幅，s 口= s a ；州，为疲劳寿命。 1 6 本文主要研究内容 本文的主要研究内容为4 个部分。 第一部分为1 2 m i 】n i v r 钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率的试验研究。主要目的在 于获得1 2 m n n i v r 钢焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展数据，提供缺陷评定及腐蚀环境 下疲劳寿命预测所需的数据。 第二部分为大型石油储罐( 1 0 万m 3 ) 在水压试验条件下的静力分析和在风载 作用下的疲劳分析，为后续的缺陷评定及寿命预测提供必要的数据。 第三部分为针对平面缺陷和体积缺陷，根据在用含缺陷压力容器安全评 定进行安全评定，以确定石油储罐在此状态下，在设计寿命内是否可以安全运 行。 第四部分主要是在第三部分的基础上，对储罐的寿命进行预测，为其检验 与维修提供参考。 参考文献： 【1 】孙华，王成明原油储罐的腐蚀及防护【j 】化工装备技术，2 0 0 l ，2 2 ( 5 ) ：4 8 2 】s s u r e s h 王中光等译材料的疲劳 m 】北京：国防工业出版社，1 9 9 3 ，3 6 8 3 6 9 【3 】吴望周化工设备断裂失效分析基础 m 】南京：东南大学出版社，1 9 9 1 ，2 0 6 【4 】c l a ma n dd j d u q l l e t t e m e c h a l l i s m so ff a t i g u ec r a c kn u c l e a t i o n 四i n l o 硕士学位论文 c 0 玎o s i o nf a t i g u e ：c h e i n i s 略m e c h a i l l i c s 趾dm i c r 0 咖n 鹏，n a c e 2 ，1 9 7 2 ， 8 8 1 1 7 5 】c e 贾斯克等著吴荫顺、杨德均译海洋工程中的金属腐蚀疲劳【m 】河北： 冶金工业出版社，1 9 8 9 6 】w h h a r r t ，j s t e 锄锄t 趾dw c h o o p 既s o l u t i o nc l l e r n i g 时m o d m c a t i o nw i n 血 c o n 0 s i o n - f a t i g u ec r a c k s 阴a s t m s t 只6 4 2 ，1 9 7 8 ，5 1 8 7 】s s u r e s h 王中光等译材料的疲劳 m 】北京：国防工业出版社，9 9 3 ，3 7 8 8 r p ：w d a n dm o s p e i d e l m e c h a l l i s m so ff a t i g u e c r a 放n u c l e a t i o n 叨i n c o 玎0 s i o nf a t i g u e ：c h e i i l i s 咄m e c h a 芏l i c s 觚dm i c r o 咖l 曲l r e ，n a c e - 2 ，19 7 2 ， 8 8 1 1 7 9 】程铁军，栾印奎等国产w h 6 1 0 d 2 钢板用于1 0 万m j 储油罐的施工实践田 石油工程建设，3 2 ( 3 ) ：5 4 5 5 【1 0 】张禄林，苏国阳等原油储罐用钢0 8 m 1 1 n i m o v r 的开发叨压力容器，2 0 0 6 ， 2 3 ( 1 0 ) ： 1 6 - 1 7 ，1 9 1 1 】周宏亮1 0 0 0 0 0 i i l 3 原油罐弧形板加工及整体热处理的国产化阴石油工程 建设，2 0 0 2 ，2 8 ( 5 ) ：3 4 1 2 】钟京卫十万立方米储罐用高强钢s p v 4 9 0 q 的冬季焊接施工 j 石油化工 设备技术，2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：4 6 1 3 】王飞大型非锚固原油储罐数值模拟及结构优化【d 】杭州：浙江大学2 0 0 6 【1 4 惠虎，宋虎堂等大型原油储罐的有限元强度分析叨油气储运，2 0 0 4 ， 2 3 ( 1 2 ) ： 2 2 - 2 3 1 5 马玉红，邹君大型圆筒形储罐有限元设计计算四炼油与化工，2 0 0 2 ， 1 3 ( 3 ) ： 2 6 【1 6 姚学诗，郧建国水泥储罐倒塌事故分析川现代制造工程，2 0 0 5 ( 6 ) 【1 7 】王振，初大勇等立式浮放储罐地震反应试验研究【刀油气田地面工程， 2 0 0 5 ，2 4 ( 1 1 ) 【18 】周利剑，孙建刚等立式储罐耗能及变形的数值分析与计算阴大庆石油 学院学报，2 0 0 6 ，3 0 ( 2 ) 【19 杜英军，谢根栓基于衄y s 的锚固式储液罐模态分析阴石油化工设备， 第一章绪论 2 0 0 5 ，3 4 ( 6 ) 【2 0 】宫克勤，刘扬等储罐动力模态a n s y s 有限元分析阴油气田地面工程， 2 0 0 4 ，2 3 ( 1 0 ) 2 l 】陈志平大型非锚固储油罐应力分析与抗震研究 d 杭州：浙江大学2 0 0 6 【2 2 】王珉，郎福元等在役压力容器缺陷评定研究进展阴甘肃工业大学学报， 2 0 0 1 ，2 7 ( 1 ) ：“4 7 【2 3 王志文，雷月葆等制定我国在役压力容器缺陷评定新规范的技术路线哪 化工机械，1 9 9 4 ，2 1 ( 1 ) ：5 1 5 4 2 4 】李培宁我国压力容器面型缺陷安全评估进展阴压力容器，1 9 9 4 ，1 1 ( 3 ) ： 2 2 8 2 3 3 【2 5 】雷月葆，李培宁等三次幂次，积分估算方法的验证和改进( 一) 叨压力 容器，1 9 9 6 ，1 3 ( 4 ) ：2 8 6 - 2 9 0 2 6 】雷月葆，李培宁等三次幂次j 积分估算方法的验证和改进( 二) 阴压力 容器，1 9 9 6 ，1 3 ( 5 ) ：3 9 5 - 3 9 9 2 7 】郭奇，王志文等焊缝区中裂纹的j 积分和失效评定曲线的研究( 一) 【j 】压力 容器，1 9 9 4 ，1 1 ( 2 ) ：1l o 1 1 5 2 8 】秦红，粱正权等热机械载荷联合作用下含裂纹结构弹塑性断裂评定【j 】 压力容器，1 9 9 4 ，1 1 ( 3 ) ：1 8 7 1 0 2 【2 9 】壬炎炎，汪志业断裂韧性及阻力曲线的实验研究( 一) j 压力容器，1 9 9 5 ， 1 2 ( 4 ) ： 2 9 7 3 0 1 3 0 】潘红良，李培宁失效评定曲线处理焊接残余应力的推荐方法明压力 容器，1 9 9 6 ，1 3 ( 1 ) ：9 1 6 【31 】王威强钝裂纹或缺口下失效评定图的变化及修正方法研究阴机械工程 学报，1 9 9 9 ，3 5 ( 4 ) ：5 9 【3 2 】王志文，黄襄念接管高应变区的二维模拟及失效评定衄线研究( 一) j 】 压力容器，1 9 9 6 ，1 3 ( 3 ) ：2 9 1 2 9 5 【3 3 】金志江高应变区准三维模型失效评定曲线f a c 的研究叨工程设计，1 9 9 9 ， ( 3 ) ：4 4 _ 4 7 3 4 陈国华含缺陷压力容器失效概率分析方法初步研究 j 化工机械，1 9 9 6 ， 1 2 硕士学位论文 2 3 ( 4 ) ：2 2 6 - 2 2 9 3 5 】武准生，钟群鹏等概率形式的i 硒结构完整性评定方法叨压力容器，1 9 9 6 ， 1 3 ( 2 ) ：1 1 2 1 15 3 6 】gwq ，l i ucj ，z h o usj o nm ep r o b a b i l i s t i c 协l u r e 嬲s e s s m e n td i a g r 锄田 i n tjp r e s s u r ev e s s e l sa l l dp i p i n g ，19 9 9 ，( 7 6 ) ：6 5 3 6 6 2 【3 7 】h o n gyj ，x i n gj ，w 魂jb s t a t i s t i c a l 锄a l y s i so f 觚g u ec r a c k 鲫w m f 0 r 1 6 m 氓s t e e l 谢e rc 0 璐t a n ta m p l i 砌e1 0 a d s 阴h tjp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p 堍， l9 9 9 ，( 7 6 ) ：3 7 9 3 8 5 38 】x i el i y a i l g e q l l i v a l e n tl i f ed i 赋b u t i o na n df a t i g 嘴蹦l u r ep r o b a b i l 毋p r e d i c t i o n 叨i n tjp r e s sv e s s e l sa 1 1 dp i p 迦，1 9 9 9 ( 7 6 ) ：2 6 7 2 7 3 3 9 】金星，钟群鹏等疲劳安全与寿命可靠性评估二次三阶矩方法【j 固体力学 学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 4 ) ：3 6 5 3 6 7 4 0 】h o n gyj ，j i i lx ，w | a n gjb as e c o n d o r d c rm i r d - m o m e n tm e t l l o df o rc 出c m a t i n g 也er e l i a b i l 时o f 觚g u e 叨i n tjp r e s s u r ev c s s e l s 觚dp i p 吨19 9 9 ，( 7 6 ) ： 5 6 7 5 7 0 4 1 】) ( i n gj ，h o n gy j am a ) 【i i m 吼1 i l l n l o o dm e m o df o re s t 妇a t e so f n l es t a t i s t i c so f t 1 1 ec r a c k 掣o w 吐lb e h a _ 、，i o r 叨i n tjp r e s s u r ev e s s e l sa n dp i p i i 培，19 9 9 ，( 7 6 ) ： 6 4 1 6 4