（材料加工工程专业论文）焊接压力管道“先漏后断”评定理论及应用研究.pdf

摘要 压力容器及管道是我国国民经济的大动脉，是现代工业生产中必不可少的设 备，其安全与否与人民生命财产息息相关。目前我国在役压力容器和管道的安全 评定方法都是建立在断裂评定基础之上，而对于压力容器和管道等承压构件来 说，经常出现结构在断裂之前先发生稳定泄漏的现象。本文主要针对焊接压力管 道进行了系统、全面的“先漏后断”安全评定。 应用英国b s 7 4 4 8 试验标准，建立了管线用钢a p i5 lx 5 6 焊缝和h a z 的j r 阻力曲线和6 - r 阻力曲线，并采用国内标准g b 2 0 3 8 9 1 和国际标准b s 7 4 4 8 对试验 结果进行了分析对比。结果表明：国内标准g b 2 0 3 8 9 1 对钝化线和排除线的规定 存在一些不合理之处，具有很大的局限性，是造成j i c 测试困难的主要原因。建议 参考国外标准，根据实际情况进行修改。 应用国内2 0 0 5 年开始实施的“在用含缺陷压力容器安全评定”标准和e p r i 的研究成果，对形状参量的应用范围进行外推研究裂纹扩展的稳定性；并依据 s i n t a p 和b s 7 9 1 0 标准中高级评定方法，对环向内表面裂纹的延性撕裂稳定性 和塑性失稳稳定性进行分析，从而判断管道的失效模式。 根据s i n t a p 标准考虑鼓胀因子等因素，推导出线弹性裂纹张开面积计算公 式，并与其他线弹性计算方法进行对比。考虑到裂纹尖端附近的塑性变形对裂纹 张开面积会产生一定的影响，分析了建立在弹塑性断裂力学基础上的一些解析方 法如i r w i n 模型、d u g d a l e 模型。 利用流体有限元分析，计算实际管道焊缝处穿透裂纹的泄漏量。计算过程中 分别讨论了实际流道表面租糙度引起的流道摩擦损失、焊缝的余高、裂纹路径变 化、变流道截面等因素对临界流量的影响。 针对管道结构，研究了表面裂纹在循环载荷作用下的疲劳扩展过程，得到不 同初始形状的表面裂纹在拉伸、弯曲载荷作用下扩展、穿透和形状演化的基本规 律；并给出了表面裂纹穿透瞬间尺寸的确定方法以及得到穿透裂纹临界尺寸保守 值的计算方法。 关键词：l b b 裂纹张开面积泄漏速率疲劳裂纹扩展j - r 阻力曲线 a b s t r a c t p r e s s u r ev e s s e la n dp i p i n g ，舔a r t e r yo fn a t i o ne c o n o m y ，a r ei n d i s p e n s a b l ei n m o d e mi n d u s t r y a n dt h e i rs a f e t i e sc l o s e l yr e l a t e st ot h el i v e sa n dw e a l t ho fp e o p l e n o w a d a y s ，s a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d sf o ri n s e r v i c ep r e s s u r ev e s s e la n dp i p i n gi n c h i n aa r ea l lb a s e do nf r a c t u r em o d e l h o w e v e r , s t e a d yf l u i dl e a ko f t e no c c b r sb e f o r e b r e a ko ft h ep r e s s u r e ds t r u c t u r e ss u c h 鹳p r e s s u r ev e s s e la n dp i p i n g t h ed i s s e r t a t i o n a i m st om a k et h el e a k - b e f o r e - b r e a ks a f e t ya s s e s s m e n t s y s t e m i c a l l y a n d c o m p r e h e n s i v e l y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，j - r e s i s t a n c ea n d5 - r e s i s t a n c ec l l l l n e so fw e l d e dm e t a la n d h a za r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ob r i t i s hs t a n d a r d , b s 7 4 4 8 a n dt h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h et w os t a n d a r d s ，n a t i o n a ls t a n d a r dg b 2 0 3 8 - 9 1a n db s7 4 4 8 ，i sd i s c u s s e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e r ea r es o m eu n r e a s o n a b l ea s p e c t sa n dl i m i t a t i o ni nt h e g u i d e l i n eo f b l u n tl i n ea n de x c l u d el i n e so f g b 2 0 3 8 9 1 ，w h i c hl e a d st oi td i f f i c u l tt o m e a s u r ej j cp a r a m e t e r s oi ti ss u g g e s t e dt h a tg b 2 0 3 8 - 9 1i sa m e n db yr e f e r e n c et o i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r da n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e ， s o m eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa r ee x t r a p o l a t e df o rc r a c ks t a b i l i t ya n a l y s i si nl b b b ya p p l y i n gt h es t a n d a r do f s a f e t ya s s e s s m e n to fi n s e r v i c ep r e s s u r ev e s s e lw i t h f l o w s i m p l e m e n t e di n2 0 0 5a n dp r o d u c t i o no fe l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ， e p r i b a s e do nt h ea d v a n c e dl e v e l so fs i n t a pa n db s 7 9 1 0 ，t e a r i n gi n s t a b i l i t ys t r e s s a n dp l a s t i cc o l l a p s es t r e s sa r ea n a l y z e df o rc i r c u m f e r e n t i a lt h r o u g h - w a l lc r a c ko f p i p e t oe s t i m a t et h ef a i l u r em o d eo f p i p e l i n ee l a s t i cc o af o r m u l a , w h i c hc o n s i d e r sa na m p l i f i c a t i o nf a c t o rd u et o b u l g i n g ，i sd e d u c e da c c o r d i n gt os i n t a p a n di t so u t p u ti sa l s oc o m p a r e dw i t ho t h e r k n o w nm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t st h a tt h ep l a s t i c i t ya tc r a c kt i pi st oi n c r e a s e t h eo p e n i n go ft h ec r a c ka n dt h e nt h eo p e n i n ga r e a sa r eg r e a t e rt h a nt h o s ei nl i n e r e l a s t i cc a s e a v a i l a b l ea n a l y t i cm e t h o d ss u c ha si r w i na n dd u g d a l em o d e l sa r e i n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n f l o wl e a k a g er a t et h r o u g hc r a c ki nw e l d e dp i p ei sc o m p u t e db ym o d e mf l u i d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n i q u e t h ee f f e c t so fs o m ef a c t o r s s u c h 勰f r i c t i o nl o s s , c r a c kp a t hl o s s ，e x c e s sw e l dm e t a la n dv a r i a b l ec r o s s s e c t i o no nl e a k a g er a t ea r et a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o nd u r i n gt h ec o m p u t a t i o n f o rt h es t r u c t u r eo fp i p e , f a t i g u eg r o w t hp r o c e s so fs u r f a c ec r a c ku n d e rc y c l e l o a di sr e s e a r c h e d w ec 髓g a i nt h er u l eo fg r o w t h t h r o u g hw a l la n ds h a p e d e v e l o p m e n to fs u r f a c ec r a c kw i t hd i f f e r e n ti n i t i a lg e o m e t r yu n d e rp u r et e n s i o na n d b e n d i n gl o a d s i na d d i t i o n ，t h em e t h o do fa s c e r t a i n i n gs u r f a c ec r a c ks i z ea n dt h e c o m p u t a t i o no f c o n s e r v a t i v ec r i t i c a lc r a c ks i z ea r ea l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：l e a k - b e f o r e b r e a k ，c r a c ko p e n i n ga r e a ，f l o wl e a k a g e r a t e ， f a t i g u ec r a c kg r o w t h ，j - r e s i s t a n c ec u l v e n l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨空盘茎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了谢意。 学位论文作者签名：呻缘f 榭 签字日期：劲口年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤姿态望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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：即利剁 签字日期：加g 年多月形日 导师签名： 挣，l 乏 签字日期：刀易年占月文孑日 天津大学博士学位论文 1 。1 研究背景 第一章绪论 压力容器及管道是我国国民经济的大动脉，是现代工业生产中必不可少的 设备，涉及到能源交通、化工石化、冶金、航天等重要工业领域。自1 8 2 5 年美 国宾西法尼亚州铺设第一条输气管道、l8 7 9 年铺设第一条跨州输油管道开始， 经过1 0 0 多年的发展，全世界大型油气管道的总长度已超过4 0 0 x 1 0 4 k m ，并以每 年5 x 1 0 4 k m 以上的速度增长l l 】。目前我国铺设的输油和输气管道已超过 8 0 x 1 0 4 k m 。且正以每年1 0 0 0 2 0 0 0 k m 的速度铺设新管线。近年来管道工业发展 迅速，特别是耗资5 6 亿美元、全长约4 2 0 0k m 的西气东输管道已顺利建成，这 是我国进入新世纪后启动的最大工程。中国海洋石油总公司还计划用1 0 - - 1 5 年 时间建成沿海岸线管道，将南海一珠江三角洲经济区、东海一长江三角洲经济 区、渤海一环渤海经济区连接起来，管道总长估计在2 0 0 0 k m 以上【2 】。 压力容器及管道的安全与否与人民生命财产息息相关。它承担着输送石油、 天然气以及易燃、易爆介质等任务，管道运输系统一旦发生泄漏或破坏等事故， 不仅影响正常生产秩序的进行、威胁工人的生命安全而且必将给国家经济和国 民生活带来巨大的损失1 3 l o 近年来时有管道泄漏爆炸事故发生【4 l 1 9 9 8 年1 0 月1 7 日，尼日利亚的尼日尔德尔塔区输油管道发生爆炸，引起附近瓦里镇大火，造 成7 0 0 人死亡( 其中有4 0 0 人当场死亡) ，大约2 0 0 人受伤。2 0 0 0 年7 月巴西石油公司 巴拉那州炼油厂一条输油管破裂，在2 , b 时内大约4 0 0 万立升的原油泄入巴西南 部主要河流之一的伊瓜苏河，造成1 0 多公里长的油污染带，并威胁到附近一座 水电站的正常运转，这起事故被认为是巴西国内最大的一次环境污染事故。2 0 0 0 年7 月1 8 日，我国最大的成品油输油管线在营大公路大石桥附近发生错位泄漏事 故。美国环境保护部官员2 0 0 5 盆- 4 月透露，美国阿拉斯加北部的普拉德霍海湾地 区发生一起重大输油管道泄漏事故，大约1 4 0 万立方英尺天然气以及约有2 6 7 万 加仑( 共6 3 5 7 桶) 原油从输油管中泄漏并污染了附近约2 英亩的苔原地带，是该州 北部海湾最严重的一次石油泄漏事故。此次管道的泄漏发生在一个焊接处，是 由于输送天然气入井管道的焊接问题造成的。 第一章绪论 泄漏是长输管道运行中的主要故障。管道及压力容器的爆破泄漏事故更常 常与焊接缺陷相连。由此看来，压力管道作为一种典型的焊接结构，其焊接过 程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生缺陷。在焊接缺陷处有较大的应力集 中，在使用过程中往往成为裂纹的源头。而管道一旦从焊接接头处发生断裂， 极易造成突发性和灾难性断裂。可见含缺陷焊接接头是管道系统的薄弱环节， 对其强度、寿命和安全可靠性进行评定以保证管道安全可靠的使用具有重要的 现实意义。目前我国大多数油气管道已进入事故多发期，油气管道的检测和评 价的需求已日趋迫切。 在役压力容器和焊接管线的安全运行及风险评估一直是工程上急需解决的 前沿课题。目前对焊接结构进行风险评估均是建立在“合于使用”( f i t n e s sf o r p u r p o s e ) 原则基础之上，这一原则或手段与“完整结构”【5 l 在概念上的区别是它明 确地承认焊接结构存有构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性。但是在建立 于诸如断裂力学、材料试验、应力分析、质量检查或无损探伤等科学方法基础 之上，“合于使用”原则要充分地保证所制造的结构不发生已知机制如脆性破坏、 疲劳失效、应力腐蚀的失效事故。因此该原则为压力容器和焊接管线结构的设 计、制造和安全使用提供了重要的依据和强有力的手段。 我国在1 9 8 4 年以压力容器学会及中国化工机械及自动化学会的名义提出了 “在役压力容器缺陷评定规范”，简称为c v d a 8 4 1 6 】，其评定路线是采用c o d 设计 曲线方法，以断裂失效模式为依据进行安全评定。随着科学技术的发展和弹塑 性断裂力学的完善，我国在“九五”期间在此领域又进行了广泛的研究，对原 c v d a 8 4 标准进行了大量的修改，重新编制了“在用含缺陷压力容器安全评定”【_ 7 】 标准。该标准提出了对平面缺陷评定的三个级别，即简化评定，常规评定( 考虑 塑性失效) 和平面缺陷评定的分析方法，与c v d a 一8 4 规范相比有了一定发展。? 但 这些评定方法都是建立在断裂评定基础之上，即以断裂失效作为失效模式。而 对于压力容器和管道等承压构件来说，经常存在结构在断裂之前首先发生稳定 泄漏的情况，我国在新、老标准中均未考虑这个问题，尚属空白。 国外一些最新、最有影响的标准如英国的b s7 9 1 0 “金属结构中缺陷验收方 法”i s 和欧洲共同体提出的s l n t a p ( s t r u c t u r a li n t e g r i t y a s s e s s m e n tp r o c e d u r e ) “结 构完整性评定方法9 】已经对此问题给予了重视，进行了一些相关研究，并在标 准中提出了“先漏后断”( l e a k b e f o r e b r e a k ，简写l b b ) 的评定问题。但是这些 标准中只是以附录的形式原则性的提出了一些条款，并且评定方法在很多如裂 天津大学博士学位论文 纹扩展的研究、裂纹张开面积和泄漏速率的计算等方面存在很多不足之处，因 此有待于进一步研究。 鉴于以上情况，在国家自然科学基金委的资助下，本课题主要针对压力管 道，如海洋油气管线在“合于使用”原则基础上，进行先漏后断评定方法的研 究，以填补国内在该领域的空白，弥补国际上相关评定方法的不足。根据我国 国情，随着改革开放的不断深入进行，保证大量焊接结构，如西气东输管线、 海洋油气管线等的安全运行，并使其更具合理性和科学性，进行先泄后断的安 全评定具有重大的经济效益和社会效益。 1 2 先漏后断( l b b ) 的基本概念 表面裂纹是在压力容器及管道结构中常见的一种缺陷，它的存在引起压力 容器及管道的失效主要有两种形式，即爆破( b r e a k ) 和先漏后断 ( l e a k - b e f o r e b r e a k ) 。爆破是指表面裂 纹在载荷或载荷和腐蚀作用下沿壁厚 及壁面方向引起亚临界扩展，在裂纹穿 透壁厚前或刚穿透壁厚时，壁面方向裂 纹长度已达到失稳扩展临界值而发生 容器或管道的快速整体破坏。先漏后断 ( l b b ) 是指表面裂纹在外加载荷和其它 因素作用下逐渐发展，甚至穿透壁厚 ( 可以是厚度方向的失稳穿透) ，形成贯 穿裂纹，造成管道内介质的泄漏。当泄 漏量达到一定程度后，即可以被相应的 泄漏监测系统发现。但壁面方向裂纹长 度仍有足够的安全裕度，达到一定长度 后才会发生失稳扩展从而导致管道的 彻底断裂。如果从发现泄漏到管道毁灭 性破坏之间有足够长的时间采取安全 处理措施( 如卸压、修理等) ，则避免了 由于快速整体破坏而引起的灾难性事 爆破( b r e a k ) 图l l 先漏后断( l b b ) 概念示意图 f i g 1 一ls k e t c ho f l b bc o n c e p t 第一章绪论 故，认为这种管道满足l b b 的条件。先漏后断( l b b ) 概念i l o j 可由图1 1 简单表示， 图1 1 中2 c t h 为裂纹穿透时的裂纹长度，2 c c r 是裂纹壁面方向失稳扩展的l | 缶界长 度。用来判别某一压力容器或管道所含的裂纹在工作载荷和( 或) 介质环境作用下 能否获得先漏后断行为的评定准则称为先漏后断准则( 简称l b b 准则) 。 为了进一步说明l b b 的概念，考虑一种含裂纹的构件承受循环拉伸载荷的例 子。图1 2 所示是构件在两种不同循环载荷下的位移载荷曲绀“】。在图1 2 ( a ) 中， 载荷比较小，经过一定的载荷循环后，裂纹穿透了厚度方向形成贯穿裂纹，以 后裂纹虽然不断扩展，但是在构件发生完全断裂以前还能承受相当多的载荷循 环，每一个载荷循环中的裂纹扩展量很小，从裂纹贯穿到失稳有比较长的一段 时间，因此满足l b b 的条件。在图1 2 ( ”中，载荷比较大，当裂纹贯穿以后，构 件的承载能力迅速下降，裂纹很快发生失稳扩展，因此不满x 足_ l b b 的条件。 i23 4 , u s l n 图l - 2 含裂纹构件的l b b 性质 f i g 1 - 2l b bp r o p e r t i e so f c r a c k e dc o m p o n e n t a t m m 曾有一种不正确的看法认为l b b 是一些韧性材料( 如不锈钢) 的固有特性。 实际上，一个含裂纹的构件是否满足l b b 条件除了依赖于材料性质以外，还与 构件的几何条件、载荷条件、裂纹的初始形状和尺寸、裂纹扩展规律以及周围 的环境有关，因而是多种因素的综合结果。对一构件进行l b b 分析，应该全面 考虑这些因素。 对于允许泄漏的流体( 指无毒、非易燃易爆流体) 而言，含缺陷压力容器或管 道能满足先漏后断( e b b ) 条件下的运行状态称之为“先漏后断安全”。压力容器 |萋r o 天津大学博士学位论文 及管道大多有联接部件，泄漏往往是不可避免的；而灾难性爆破( 爆炸) 事故， 则是人们竭力希望避免的。在传统的断裂评定中，只要表面裂纹一启裂或穿透 壁厚即认为含裂纹结构已失效，这样由于评定时存在着较大的保守性，因而被 判为失效的含裂纹结构实际上常能继续安全运行。这种情况下应该采用先泄后 断的失效模式进行进一步的评定，不能简单的判其为失效。若存在先泄后断的 情况，即使裂纹穿透壁厚，只要相应的穿透裂纹长度没有达到失稳扩展的临界 值，则可以通过先泄后断的分析和计算，预测其使用寿命。这将使在役含缺陷 压力容器和管道等承压构件的安全评定更具合理性和科学性，并带来巨大的经 济效益和社会效益。因此，l b b 准则是比传统断裂评定更为精确而又不过分保 守的评定理论。 此外，保证压力容器及管道在运行期间能获得l b b 行为的设计观点是压力 容器及管道的新设计观点，称为l b b 设计观点。它必须全面考虑材料和检验方 面的要求。 1 3 先漏后断( l b b ) 准则的发展 l b b 概念最早是由i r w i n 等提出的。此后人们曾尝试用简单的l b b 准则解决工 程应用问题。i r w i n 等【1 2 1 在六十年代首次提出一个简单的l b b 准则，该准则基于 线弹性断裂力学，主要是针对轴向裂纹进行分析。假定表面裂纹穿透时为近似半 圆形，即形成总长为2 倍壁厚的穿透裂纹，见图1 3 。 图l - 3 简单的l b b 准则 f i g 1 - 3s i m p l el b bc r i t e r i o nb yi r w i n 图中伪壁厚，c 为穿透裂纹半长。准则认为只要轴向裂纹长度小于2 倍壁厚， 第一章绪论 裂纹的径向驱动力将大于轴向。同时，又假设表面裂纹穿透壁厚时的远场应力为 材料屈服应力民。因此，在这样高的应力水平下可假想其存在平面应力条件。从 而获得l b b 行为的条件( 2 c 穿透裂纹止裂) 为： r ” k c 仃y 、石( f + 0 ) 式中r p 为塑性修正，p 彩d 2 a y 2 ；k c 为材料平面应力断裂韧性。这一准则有很大 的局限性。首先，它局限于总体屈服以下的断裂，并只能给出初始裂纹小于两 倍壁厚的解；其次，裂纹尖端塑性区的大小与当地材料所受的约束程度有关( 极 限状态为平面应力或平面应变) ，且在屈服应力的应力水平下，戒2 耐已不再 成立。所以，这一准则过于简单，没有工程价值。 h o o d l l 3 】按图1 3 同样的裂纹形状假设，提出满足l b b 条件的要求是临界裂 纹尺寸至少等于壁厚的两倍： c c r t 式中是操作应力水平时裂纹失稳扩展的临界长度。以该准则临界裂纹尺寸取4 倍安全系数被用为北美油管规程的最大允许裂纹尺寸。该准则并没有考虑材料韧 性的真正允许值，并且在7 2 屈服应力操作应力水平下，油管临界穿透裂纹尺 寸是准则要求长度的4 , - 6 倍。显然准则似乎过于保守。 d u 厮【1 4 】等根据全尺寸管道试验结果提出了一个经验性的l b b 准则。准则认 为：当表面裂纹壁厚方向的破坏压力p 1 ，小于相应长度穿透裂纹的失稳破坏压力 p 2 ( 即n 生( 3 + 鸟向一 k f c i9 m k 、 c 。jc ? 式中局c ：裂纹沿轴线方向扩展的断裂韧性； 局c ：裂纹沿壁厚方向扩展的断裂韧性； m k ：应力强度修正因子，与a t ，a c 有关。 由方程( 1 1 ) 作图得到图1 - 4 。图1 - 4 表明，两个裂纹扩展方向的韧性差越大 越易满足l b b 条件，而实际硒c ，k i c , 几乎都不大于2 ，故按此准则对a c 1 2 6 m e a 石m 时就能满足l b b 条件；而实际反应器材料的 k 。) 1 4 4 m p a 而m ，所以只要能满足( 1 - 4 ) 式条件的含裂纹实际反应器就将获 得l b b 行为。 周道祥等【1 7 1 通过分析相同裂纹长度不同裂纹深度的模拟容器的准静态爆破 试验，提出了一个l b b 准则：若容器表面裂纹韧带极限失稳压力低于相应穿透裂 纹临界脆断压力，则容器泄漏失效( l b b ) ；反之，则容器爆破失效( b r e a k ) 。在文 献【1 8 】中提出相似的l b b 准则：假定没有压力下降发生，则表面裂纹的临界压力 大于相同长度穿透裂纹的临界压力时，裂纹两端将发生失稳扩展。文中还利用 圄1 - 6 l b b 评定图 f i 昏l - 6u 啦a s s c s s m 嘣t d i 雄舯 l 图1 7 u 姬评定敏感缝分析 f i g 1 7s 锄s m v 对删y s i s 。f l b b a s 3 e s s m 叫t 天津大学博士学位论文 综上所述，为了实际构造l b b 评判图，现在不仅存在大量的理论问题，而 且还缺少各种结构材料的试验数据。本文对l b b 评定方法进行进一步研究，使 其更加完整。 1 4 先漏后断( l b b ) 的研究内容 到目前为止，各个国家对管道和压力容器的l b b 分析尚没有统一的方法和 规范，因此l b b 分析的基本步骤在不同的国家也有所差别，但是其中一些主要内 容和步骤是相同或相近的。先漏后断评定的研究主要涉及裂纹断裂扩展行为和 流体的可测性两个方面，前者主要属于断裂力学的研究范畴，后者则属于流体 力学范畴。本文作者在查阅大量相关文献伫卜。8 1 的基础上，经过分析研究，总结 了先漏后断评定的主要内容，见表1 1 。 表1 - 1 先漏后断评定的主要内容 t a b l ei - 1p r i m a r yc o v e r a g eo f l b ba s s e s s m e n t 问题归属研究课题 断裂力学 流体力学 1 缺陷归类： 将裂纹全部归类为表面或穿透裂纹( 埋藏裂纹作为表面裂纹处理t s i ) 2 表面裂纹疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律 3 表面裂纹和穿透裂纹应力强度因子、j 积分的计算 4 表面裂纹的断裂稳定性评判准则，确定结构的失效机制 5 估计裂纹穿透时的长度 6 穿透裂纹的稳定性评判准则 7 穿透裂纹的极限长度 8 计算裂纹扩展到极限长度所需时间 1 泄漏面积的确定 2 泄漏率的计算方法及影响泄漏率的因素 3 泄漏率测量系统的灵敏度和响应时间 4 计算检测到泄漏所需的时间 一个含裂纹的构件是否满足l b b 条件取决于多种因素( 如裂纹的初始形状和 尺寸、裂纹扩展规律、构件的几何条件等) 【2 川的综合结果，其中最重要的因素是 第一章绪论 材料的力学性质和载荷条件。进行具体分析时，需要一些基本数据，如： ( 1 ) 结构的载荷和应力：需要确定在正常运行工况和安全停堆地震工况下的 各种载荷，包括弯矩、内压力、轴向力、热应力等，计算相应的应力分布，并 区分哪些应力对裂纹塑性失稳有影响。 ( 2 ) 材料性质：l b b 分析中常用到的材料性质有应力应变曲线、屈服极限以 和强度极限应力o b 、弹性模量聃泊松比u 、临界应力强度因子 乏、j - r 阻力曲线 等。 ( 3 ) 确定裂纹的位置和形状：在直管道中，往往分析环向和轴向的表面和贯 穿裂纹，但是在多数情况下环向裂纹更危险，因此一些l b b 分析程序中更强调 研究环向的贯穿裂纹绞和表面裂纹。 根据以上介绍的研究内容及所需基本数据，总结先漏后断评定程序的流程 图如下，见图1 8 。 裂纹表征 确定穿透裂纹的极限长度 估计裂纹穿透时的长度 穿透时的裂纹长度是否 达到亚临界尺寸? 是 计算裂纹张开面积 计算泄漏速率 计算裂纹扩展到 极限尺寸的时间 检测到泄漏? 是 存在先泄后断情况 否 是否能更精确的估计穿透时 的裂纹长度? 极限裂纹长度? 否 先泄后断的情况 图1 - 8 先漏后断评定程序 f i g i - 8 f l o w c h a r t f o r l b b p r o c e d u r e 是 天津大学博士学位论文 1 5 典型的l b b 分析方法 如前所述，l b b 分析包括一系列的断裂力学问题。8 0 年代以来，随着断裂 力学理论的日趋完善和试验手段的逐步提高，国际上逐步发展形成了兼顾安全 可靠性和经济性的适用性评定方法，多数采用了f a d ( f m l u a s s e s s m e n td i a g r a m ) 技术。f a d 提供了一种方便的评价结构由脆断至塑性失稳整个范围的失效风险 评定方法。虽然根据“合于使用”原则建立的评定方法【3 0 - 3 8 】很多，但是涉及到 l b b 评定的标准屈指可数。目前只有最新的s i n t a p 、r 6 和b s 7 9 1 0 标准中考虑 了l b b 分析，但是内容较少，没有形成完整的方法体系。但是这些标准为韧性裂 纹扩展的失效评定和临界载荷的计算奠定了基础，因为裂纹扩展的稳定性分析 是l b b 分析的核心。 1 5 1 欧洲s i n t a p 评定程序 s i n t a p 3 州2 1 是欧洲委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 为了建立一个统一的欧 洲实施合于使用评定标准，有来自9 个国家的1 7 个组织参加，于1 9 9 9 年完成 了“欧洲工业结构完整性评定方法”一s i n t a p ，已于2 0 0 0 年发布并试行的欧 洲最新统一工业结构完整性评定标准。该标准对脆性断裂、延性撕裂和塑性 失稳等都有表述。它结合欧洲及其它国家现有的部分评定标准，并在其基础 上做出了适当地改进和发展已形成共识。 s i n t a p 采用了失效评定图f a d 和裂纹驱动力c d f ( c r a c k d r i v i n g f o r c e ) 两类 分析方法。f a d 是根据两个参量墨和t 来定义失效评定图，依赖于材料的拉伸 性能，其一般形式为： 墨= ，( ) 并包括截止线方程厶= 上。用f a d 方法时，必须计算出在一定载荷条件下， 一个或一系列评估点的横、纵坐标 ，墨 ，然后在f a d 图中与失效评定曲线进 行对比。如果评定点落在失效评定曲线上或其包围的范围内，则缺陷就是可以 接受的，否则，缺陷不可接受。评定点的坐标分别为： 群：施加的线弹性应力强度因子墨和材料的断裂韧度j 【。的比率。 l ：施加的应力和含裂纹结构的塑性屈服应力之间的比率。 具体示例如图1 - 9 所示。 第一章绪论 o l 阿冒。1 o r f a d 示意图 吒b 八 l l 私) l r ! i b ) l i 【c ) c d f 示意图 l f f 仍r 图1 - 9 f a d 和c d f 评定示意图 f i g 1 - 9f a da n dc d fs a f e t ya s s e s s m e n ta n a l y s i sd i a g r a m c d f 是直接按小钢c 的判据来进行评定的，需要计算裂纹结构的裂纹尖端的驱 动力作为上- 的函数。但是裂纹推动力朋计算方法规定应按失效评定曲线的表达 式肥) 求得，即 j = 以l 厂也) r 2 或万= 疋v ( ) r 2 因此尽管c d f 法和f a d 法在形式上有所不同，但实质是一样的。如图1 - 9 所示。用c d f 方法时，对基本的分析，当i 时，用上，的函数画出c d f 图， 在c d f 值等于材料的断裂韧度处画出一条横线，这条横线与c d f 曲线相交处定 义了的极限情况。根据评定时载荷条件下计算得到的l 值画出一条竖线。通 过和极限情况的对比，这条竖线和c d f 曲线的交点定义了评估情况。具体示例 如图1 - 9 所示。 s i n t a p 标准共分为7 个评定等级，其中包括1 个缺省等级、3 个标准等级、 3 个高级等级。每一个等级都比前一个等级的保守性低，这种结构意味着在一个 等级中不能被接受的结果在更高的等级中可能变成可以接受的。s i n t a p 程序中 每个等级的选择如表1 2 所示。由表l - 2 可以看出，分析等级的特征是由材料抗 拉数据的详细程度来决定的。 表1 2 根据拉伸数据选择分析等级1 4 3 1 t a b l e1 - 2a s s e s s m e n tl e v e l sa c c o r d i n gt om e c h a n i c a lp r o p e r t y 由表1 - 2 可以看出，l b b 评定是最高级别的评定。当初级评定结果表明结构 没有足够的安全裕度时，可采用进一步高级评定，通过这些方法可以证明结构 可能是安全的，即对于承受压力的构件，可以进行先漏后断分析，表明裂纹在 突然断裂之前先进行稳定泄漏。部分表面裂纹可能继续扩展，通过剩余韧带变 第一章绪论 成穿透裂纹引起泄漏，但仍然有可能处于稳定状态，i p l b b 状态。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。由于穿透前后裂纹能否 产生塑性失稳的评定过程与r 6 第3 版嘲相同，因此，可根据具体情况选用前面 几级中的某一失效评定曲线进行评定。 1 5 2b s 7 9 1 卜金属结构中缺陷验收评定方法导则 b s 7 9 1 酽金属结构中缺陷验收评定方法导则，是英国标准委员会( b s i ) 在1 9 9 9 年底公布的最新完整版英国标准，是在使用了近2 0 余年的p d6 4 9 3 1 4 6 1 及其发展 版本的基础上建立的，取消了p d 代号而正式列入正规的英国标准。 b s 7 9 1 0 评定方法以断裂力学为基础，主要采用失效评定曲线f a d 图方法进 行评定1 4 4 s 1 。在b s 7 9 1 0 标准中，共有3 个评定等级，随评定等级的增高，评定 结果的保守度降低，当然，所需要的关于结构和材料的相应数据的完备性和准 确性也随之增加。b s 7 9 1 0 囊括了对断裂 ，塑性失稳、疲劳、蠕变及其他失效形式 1 。o 缺陷效应的评定方法。3 个等级分别为：o 8 1 ) 一级评定( l e v e l1 1 ，其为简单评 也7 0 7 定方法，在已知材料性能数据有限的情。” 况下使用。 意o 4 i a 级评定曲线是由两条平行于坐 标轴的直线组成，如图1 1 0 所示，其中 天津大学博士学位论文 得到针对于特定应力应变特征材料的评定曲线： 当t 三一时， 属或墨= 岛+ 耐l r 3 口r y 当 k 时4 或k r = 0 式中占。是根据单向拉伸应力一应交曲线，材料在真应力( 三，c r r ) 作用下的真应 变，但在大多数的评定情况下，使用工程应变的值也是可以接受的。 3 ) 三级评定( l e v e l3 ) ，该评定适用于延性材料，主要是对高应变硬化指数 的材料或需要分析裂纹稳定撕裂断裂时，才考虑使用此方法嗍。对于常用的焊 接结构用钢，一般不采用此程序。其本身又分为3 a 、3 b 、3 c 级评定。 3 a 级和3 b 评定f a d 图的评定曲线完全和二级评定中的2 a 级和2 b 级评定 曲线基本相同。对于3 c 级评定，f a d 图随材料和结构形式的不同而不同，通过 对在特定负载作用下的含缺陷结构的弹性和弹塑性分析，得到相应的j 积分值。 通过确定在一系列负载( 也就是一系列的厶值) 作用下的以和山然后通过下式确定 相应墨值，然后连点成线得到评定曲线。 当l r l 。时 k i ；( j 栅”。 当k l 。时 k r = 0 b s 7 9 1 0 标准中除了正文的十章内容外，还包含了附录a 到附录u 共2 1 个 附录，很多来自r 6 和s i n t a p 。涉及到管线和压力容器的腐蚀评定、疲劳及蠕 变、高温裂纹扩展评定参数、缺陷复合方法以及焊接接头的残余应力分布等方 面。其中附录f 为先漏后断评定方法。b s 7 9 1 0 中介绍了两种进行先漏后断评定 的程序，第一种是简化的可检测泄漏法，此方法首先假设结构中存在一个穿透 裂纹。第二种是比较严格的评定方法，考虑原始裂纹的的扩展。两种程序介绍 如下： a ) 可检测泄漏法( d e t e c t a b l el e a k a g ea p p r o a c h ) 先漏后断论点的简化类型旨在证明穿透裂纹扩展到极限裂纹长度之前，可 以检测到泄漏。“可检测泄漏”的论点逐渐应用到先漏后断评定中。美国核管会 的n u r e g1 0 6 1 5 0 1 将先漏后断评定应用于轻水反应堆管道工程中。进行该评定 时，首先假设存在一个穿透裂纹，在该裂纹扩展到极限长度之前可以检测到泄 漏。然而，只有在局部断裂的机制和不会出现长表面裂纹的情况下，这种简化 方法才是可行的。 b ) 全面的先漏后断方法( f u l ll e a k b e f o r e b r e a ka p p r o a c h ) 第一章绪论 在全面的先漏后断程序中，初始裂纹通常为尚未穿透管道和容器壁厚的表面 裂纹。对于这种类型的缺陷为了满足先漏后断的情况必须满足以下条件： 在发生裂纹导致的破坏性断裂前，裂纹穿透压力边界； 形成的穿透裂纹在扩展到发生破坏性断裂的临界长度前，泄漏速度足够 大确保能被检测到。 通过以下几个步骤来确保