（材料加工工程专业论文）电厂含缺陷压力容器应力分析及安全性评价.pdf

中文摘要 中文摘要 随着现代工业的迅速发展，压力容器正在向大型化、复杂化、高参数、严工 况的方向发展，在役压力容器的安全曰益引起人们的关注，而压力容器的安全评 定也显得越来越重要。另一方面，通过安全评定可以避免一些不必要的返修和报 废，可以节省大量资金和人力物力。开展对电厂含缺陷压力容器的安全评定工作， 不仅可以保障发电厂的安全运行，对整个电网稳定供电并提高经济效益也具有重 要的贡献。 目前，国内外广泛开展基于“合于使用”原则的压力容器安全评定的研究， 发展了一些新的评定理论，也相应地制定了新的安全评定标准，如b s 7 9 1 0 、 s i n t a p 、g b t 1 9 6 2 4 - - 2 0 0 4 等。“合于使用”原则的基础是理论分析和实验测 试的科学方法，它取代了“完美无缺”的经验性方法，它要客观地保证压力容器 不发生任何已知机制的失效事故。 本研究在工程现场考察和论证的基础上，选用国内外得到广泛应用的英国评 定标准b s 7 9 1 0 作为理论基础，并依据标准开展了相关实验、应力参数计算和缺 陷评定专家系统的编制。研究以现场采集的压力容器用钢为实验材料，进行了单 轴拉伸实验、断裂韧性测试实验、焊接接头冲击实验等，然后将实验所得数据和 查询得到的相关数据建立了材料性能数据库；研究过程中建立了典型电厂压力容 器的有限元模型，采用数值模拟的方法计算了相关应力参数，并建立了分类应力 数据库。材料性能数据库和分类应力数据库是后续编制的缺陷评定专家系统的重 要组成部分，为提高缺陷评定的效率和准确性有重要的意义。缺陷评定专家系统 是缺陷安全评定过程的有效辅助手段，可以帮助普通工程技术人员掌握复杂的缺 陷评定过程。 本研究成果经有关专家鉴定达到国内领先水平，并已经在河北电网南网得到 应用。 关键词：压力容器；合于使用；安全评定；b s 7 9 1 0 ；专家系统 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h ep r e s s u r ev e s s e l s d e v e l o pt ot h el a r g e s c a l e ，c o m p l e x ，h i g hp a r a m e t e ra n dt h es t r i c to p e r a t i n gm o d e d i r e c t i o n t h es e c u r i t yo ft h ep r e s s u r ev e s s e l sa r o u s e sp e o p l e si n t e r e s t ，a n dt h es a f e t y a s s e s s m e n to ft h ep r e s s u r ev e s s e l sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t o nt h eo t h e r h a n d ，t h r o u g hs a f e l ye v a l u a t e sm a ya v o i ds o m eu n n e c e s s a r yr e p a i r sa n dd i s c a r d s ，a n d m a ys a v et h em a s s i v ef u n d s ，m a n p o w e ra n dp h y s i c a lr e s o u r c e d e v e l o p i n gt h e s e c u r i t ya s s e s s m e n tw o r kt ot h ep r e s s u r ev e s s e l so ft h ep o w e rp l a n t , n o to n l ym a y s a f e g u a r dt h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rp l a n t ，t h es t a b l ys u p p l i e sp o w e rt ot h ee n t i r e e l e c t r i c a ln e t w o r ka n dr a i s e st h ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya l s oh a st h e i m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n a tp r e s e n t , t h es a f e t ya s s e s s m e n t o fp r e s s u r ev e s s e l sb a s e do n 。f i t n e s sf o r s e r v i c e ”p r i n c i p l ew i d e l yd e v e l o p si nh o m ea n da b r o a d ，a n dm a n yn e wt h e o r i e sa r e d e v e l o p e d a c c o r d i n g l y , m a n yn e ws t a n d a r d sa r ce s t a b l i s h e d ，s u c ha sb s 7 9 1 0 ， s i n t a p , a n dg b t 19 6 2 4 2 0 0 4a n ds oo n t h ef o u n d a t i o no f “f i t n e s sf o rs e r v i c e ” p r i n c i p l ei st h es c i e n t i f i cm e t h o db a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n tt e s t s i ts u b s t i t u t e df o r “p e r f e c tw a sc o m p l e t e ”m e t h o db a s e do nt h ee x p e r i e n c e ，a n dc a n o b j e c t i v e l yg u a r a n t e et h ep r e s s u r ev e s s e ld i dn o th a v ea n yk n o w nm e c h a n i s m e x p i r a t i o na c c i d e n t t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nt h ep r o j e c ti n v e s t i g a t i o na n dr e p e a t e dd i s c u s s i o n t h e b r i t i s hs t a n d a r db s 7 9 1 0w a st h eb a s i ct h e o r y , a n da c c o r d i n g l yc a r r i e do u tt h e e x p e r i m e n t ，t h ec o m p u t a t i o no ft h es t r e s sp a r a m e t e ra n da l le x p e r ts y s t e mw a s d e v e l o p e d i nt h i sr e s e a r c h , t h et e s tm a t e r i a l sw e r eg a t h e r e df r o mp r o j e c tl o c a t i o n , a n d u n i a x i a lt e n s i o nt e s t ，f r a c t u r et o u g h n e s st e s ta n di m p a c t - t o u g h n e s st e s to ft h ew e l d i n g j o i u ta r em a d e t h e nam a t e r i a lp a r a m e t e rd a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d ；i nt h er e s e a r c h p r o c e s s ，t h ef e a m o d e l so ft y p i c a lp o w e rp l a n tp r e s s u r ev e s s e l sw e r ee s t a b l i s h e da n d t h es t r e s sp a r a m e t e r sw e r eg a i n e dt h r o u 曲s i m u l a t i o nm e t h o d ，a n dac l a s s i f i e ds t r e s s d a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d t h em a t e r i a lp a r a m e t e rd a t a b a s ea n dt h ec l a s s i f i e ds t r e s s d a t a b a s ei st h ei m p o r t a n tc o n s t i t u e n to ft h ee x p e r ts y s t e m ，w h i c hc a l le n h a n c et h e e f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c yo fp r o c e d u r eo ft h ef l a wa s s e s s m e n t t h ee x p e r ts y s t e mi s a l le f f e c t i v ea s s i s t a n c em e t h o df o rt h es a f e t ya s s e s s m e n to ft h ef l a w s ，a n di tm a y h e l p t h eo r d i n a r ye n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n st og r a s pt h ec o m p l e xa s s e s s m e n tp r o c e s s a b s t r a c t t h i sr e s e a r c hp r o d u c t i o na c h i e v e m e n ta c h i e v e st h ed o m e s t i cl e a d i n gl e v e l t h r o u g ha p p r a i s e m e n tb yc o n c e r n e de x p e r t , a n dh a sa l r e a d yb e e na p p l i e di nt h es o u t h e l e c t r i c a ln e t w o r ko f h e b e ip r o v i n c e k e yw o r d s ：p l e s s u r ev e s s e l s ；f i t n e s sf o rs e r v i c e ；s a f e t ya s s e s s m e n t ；b s 7 9 1 0 ；e x p e r ts y s t e m m 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，也不包含为获得苤洼盘鲎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：1 毫眈，谈 签字日期： 狮年，月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞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，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：f 亡目毵彼 导师签名 签字日期：冲年1 月l 日 签字日期： 弦l 混7 p fl 矽年，月7 日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 随着现代工业的迅速发展，压力容器正在向大型化、复杂化、高参数、严工 况的方向发展，在役压力容器的安全日益引起人们的关注，而压力容器的安全评 定也显得越来越重要【l 】。 在电厂锅炉压力容器定期检验中，经常发现存在超标缺陷，缺陷因各方面原 因不能被消除。因供电紧张而盲目含缺陷运行的锅炉压力容器的安全性是电厂运 行的一大隐患，进行含缺陷压力容器的评估对电厂的安全运行具有重要意义。目 前，国内有关规定对于已经发现超标缺陷的压力容器多采用立即停机返修或者报 废等措施，也就是不允许存在任何的超标缺陷，但是实践证明，返修过程中电弧 气刨、焊接等过程不可避免地对材料性能产生影响，有可能加速材料的劣化，从 而使结构失效。另外，不必要的返修和报废压力容器会造成巨大的经济损失。为 此，工程界提出了基于“合于使用”原则的压力容器安全评定方法。 基于“合于使用”原则的含缺陷压力容器的安全评定一直是工程界极为关注 的热点问题，自上世纪7 0 年代以来，无论国际上还是国内均开展了卓有成效的 研究，提出了一系列的含缺陷结构安全评定准则及评定方法。“合于使用”原则 是针对焊接结构“完美无缺”原则提出的，它在明确承认焊接结构具有存在构件 形状、材料性能偏差和存在缺陷的可能性，是建立在应力分析、断裂力学、材料 性能、无损探伤等科学方法的基础上，“合于使用”原则保证结构不发生任何己 知机制的破坏 2 1 。 基于“合于使用”原则的含缺陷压力容器的安全评定在化工领域已经得到一 定程度的应用，但在电力行业应用范围很小。因此，本课题针对发电厂典型的压 力容器，开展“含缺陷压力容器应力分析和安全性评价”研究，对保证含缺陷结 构的安全运行、减少不必要的返修次数、提高经济效益等均具有重要意义。 1 2 基于“合于使用”原则的压力容器安全评定概述 目前，基于“合于使用”原则( f i t n e s sf o rs e r v i c e ) 的安全评定技术得到了 广泛的发展。“合于使用”原则是针对“完美无缺”原则而言的。在焊接结构的 发展初期，要求结构在制造和使用过程中均不能有任何缺陷存在，即结构应该完 美无缺，否则就要返修或报废；后来曾任英国焊接研究所所长之职的e d g a rf u c h s 通过大量的试验证明：在铝合金焊接接头中，纵然有大量的气孔，对该接头的强 第一章绪论 度无任何不利影响，而返修却会造成结构或接头使用性能的降低。基于这一研究， 英国焊接研究所首先提出了“合于使用”的概念，它明确承认焊接结构具有存在 构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但是在建立于诸如应力分析、断裂力 学、材料试验、质量检查、无损探伤等科学方法研究的基础上。“合于使用”原 则的基础是理论分析和实验测试的科学方法，它取代了“完美无缺”的经验性方 宏，它要客观地保证压力容器不发生任何已知机制的失效事故。换句话说，“合 于= 使用”原则对设计、制造人员的要求更高了，而不是像有人片面误解的那样， 认为“合于使用”原则是对结构的质量降低了要求函翻。 i 2 1 “合于使用”原则的使用 “合于使用”原则用于压力容器的设计阶段以确定其尺寸的允许偏差和缺 驺的允许值，用于压力容器制造过程以确定其是否可以验收，用于压力容器使用 吐程以评定所发现的裂纹，确定其是否可以存在，也可以用于已有压力容器在新 拘使用条件下的安全评定等。 基于“合于使用”原则的安全评定方法可以避免压力容器在生产和使用过 陧中的许多不必要的返修、报废等，可以更加客观地判断压力容器的安全性，从 而可以产生巨大的经济利益，是一种值得大力推广的“人性化”评定技术。 1 2 2 安全评定的基本过程 在基于“合于使用”原则的评定过程中，无例外地均需输入载荷、类裂纹缺 陷和断裂韧度三个参量 2 1 ，因此其评定过程一般可以分为： ( 1 ) 通过实验或数值模拟的方法进行应力参量分析，计算和测定构件有缺 陷部位的应力，包括外载荷产生的应力和残余应力。- ( 2 ) 通过定量无损检测，测定缺陷的种类、取向、大小等，并进行缺陷的 规则化及复合等。 ( 3 ) 确定材料的力学性能参数，包括断裂强度0 o ，屈服强度仉，断裂韧性 k i c 等。推荐采用实测数据。 最后，根据以上结果进行断裂力学计算，并通过相关的安全评定标准判断其 安全性。在此过程中，一定要考虑材料的使用环境，如温度、腐蚀介质等【3 】o 1 3 压力容器安全评定断裂力学理论的发展 压力容器的安全评定规范都是建立在断裂力学基础之上的，断裂力学是将各 种缺陷简化为规则的裂纹后而进行的力学分析。 第一章绪论 1 3 1 线弹性断裂判据 美国a s m e 锅炉及压力容器规范是最早把断裂力学用于容器设计和缺陷 评定的文件，规范中采用了线弹性断裂力学基础，使用的安全判据为：托 k * ， 其中k l 为应力强度因子，k r = f o 廊，f ：形状系数；a ：裂纹半长；k ”为材料 的断裂韧性。 根据上述判据，由定量无损检测得出的裂纹尺寸，由应力分析得出裂纹区域 所受的应力，计算得到应力强度因子k i 与相应温度下材料的断裂韧度做比较， 然后判断压力容器是否安全【4 】。 1 3 2 弹塑性断裂判据 线弹性断裂力学只适用于解决裂纹尖端发生小范围屈服的情况，而对于压力 容器等用高韧度材料制造的含缺陷结构，其断裂特征可能是延性的。同时，裂纹 在起裂后尚有相当长的稳定扩展阶段，最后才发生失稳断裂，如仍用线弹性断裂 力学的理论进行分析就过于保守，不能充分利用材料的承载能力，于是弹塑性断 裂力学被引入压力容器的安全评定中来。 c o d 理论是以d m 窄条屈服模型为基础的弹塑性断裂准则，其核心是描述 咒。 无量纲张开位移( p = _ = 一和无量纲应变三之间关系的c o d 设计曲线。其中，j 2 7 m s a& 为裂纹尖端张开位移、a 为原始裂纹半长、占，是材料的屈服应变、占是受均匀拉 伸无限大板中，在穿透裂纹中部跨裂纹、标距长2 l 上的标称应变。c o d 设计曲 线较为直观、简单，用于压力容器安全评定也比较方便，因此在2 0 世纪7 0 年代 末至8 0 年代初，c o d 设计曲线法在国际上压力容器安全评定规程中占有统治地 位，使压力容器安全评定技术从采用线弹性断裂分析过渡到采用弹塑性断裂分 析，使安全评定技术迈上了一个台阶。其中，比较有代表性的是英国标准委员会 制定的b s ip d 6 4 9 3 ，我国的压力容器安全评定规范c v d a 8 4 也采用了c o d 设计曲线。一些典型的c o d 设计曲线如图l l 【5 捌： s | s - 图1 - 1 典型的c o d 设计曲线 第一章绪论 1 9 6 8 年美国人r i c e 提出了j 积分理论，利用避开裂纹尖端的、与路径无关 的能量线能量积分j 来描述裂纹尖端的应力应变场。与之相应的利用j 积分与相 同材料相应的临界值j c 可以建立的安全判据为：j 、芝! ! 兰! ! 至三一，二 确定k 眦t 卜_ 1r 1 从c v 估算k m a t ，附录j 绘制过程嘲 !1，一 训算二和= 磊畜者丽 堡星塑型丝壁堡璧 竺堕墨鱼 t l 选择分析方法 主要过程 计算s r 计算k r 或属 a d 图上绘制评i ( s r 。k r 筋) i 堡塞丝墨盟里董垡 ! ( 百磊未矿 结构在一耋5 评定中安龟 2 5 1 21 a 与1 b 级评定 i 一嘤堕竺! 兰竺兰竺n 、 面而蒜未耐 i 3 屯力分析是否可以细化? 不能确定结构在一级评定中安_ 全 图2 - 2 一级评定流程图 ( i a ) i a 级评定的f a d 图如图2 3 所示，坐标轴和评定曲线围成的面积为 矩形。当或磊小于1 j ( 即0 7 0 7 ) ，s ，小于o 8 时，缺陷可接受。f a d 第二章缺陷安全评定理论基础 图包含一个安全因子( 通常取2 ) 。 犯 或 万 0 0 0 20 40 60 81 0 西 图2 - 31 a 级评定f a d 图 1 a 级评定f a d 图的横坐标为载荷比率，纵坐标为断裂比率，其计算方法分 别如下所述： 载荷比率s r 载荷比率利用如下公式计算： ：坚 ( 2 2 ) o f 其中：参考应力o r e 通过适当的求解方法计算得到；流变应力盯，等于屈服强 度和的拉伸强度的算术平均值，最大为1 2 巧，。 断裂比率因子( k 0 或( 百) 母：善 ( 2 - 3 ) 彪“ 届= 厢 ( 2 4 ) 其中，j r 。，矗。为试验实测值，应力强度因子解豇可通过下述公式2 5 求 得，即： k ，= ( y 仃) ( 肋) ( 2 5 ) 其中，= 蛾以，m 、兀分别为膨胀修正因子和有限宽度修正因子； o m a x 最大拉伸强度：m m 应力强度放大因子。 艿，可以通过如下方法由k 】确定：对钢( 包括不锈钢) 和铝合金若 第二章缺陷安全评定理论基础 o o t ：y ys o 5 ，并且其他材料盯盯r 的任意比率有： 西= 蜀2 c r r e ( 2 6 ) 踮笺b ) 2 旧一o 2 s ) 弦， 求解得到的允许裂纹尺寸相比较。若 k ，西或品= 0 f a d 如图2 5 所示，对不同的材料，取舍点不同。对应力应变曲线具有屈 服平台( 即曲线不是单调增加) 的材料，或应力应变不连续性的材料，取舍点的 值取1 0 或者用2 b 级评定。如果2 b 评定中的f a d 无法得到，则对于三，= 1 0 或 厶 1 0 时，采用下式进行估计： 、压( l 产o ) 或犯( l = 1 o ) = 1 + 盯v r + 1 2 ( i + e s l o ) “5 ( 2 1 2 a ) 其中乳= o 0 3 7 5 ( 1 - 矿d l o o o ) ( 这一关系限制在盯 1 ) = 万( 上，= 1 ) l ，“州2 ” 或百( ， 1 ) = 石以= 1 ) t 删 n = 0 3 0 一d y a u l 是低界应变硬化指数，它可通过屈服强度与拉伸强度的比 值o v o o 估计。 甍 k 图2 - 52 a 级评定f a d 图 ( 2 b ) 2 b 级评定( 材料特殊曲线) 适合于几乎各种类型的母材和焊缝金属，它需要提供特定材料的应力应变曲 线，得到的结果要比2 a 级评定更加准确，不太适用评定h a z 区域( 可用2 a 级 评定) 。2 b 级评定中，需要提供在适当温度下的母材和焊缝金属的应力应变曲 线，还应当提供足够的应力一应变关系坐标点、低值屈服强度或者o r 2 的验证 强度、抗拉强度以及弹性模量来确定出曲线。对于应变低于1 的应力应变曲线， 推荐采用施加应力( a ) 与屈服强度( o y ) 在下列比值点处的值来准确定义工程 1 4 第二章缺陷安全评定理论基础 应力一应变曲线。 d a y = 0 7 ，0 9 ，0 9 8 ，1 0 , 1 0 2 ，1 1 ，1 2 ，及以o 1 为间隔直到函。 评定曲线方程如下： 轧，瓶或茁等+ 意厂 若l ， l 。，占，或酪= 0 g 可是通过单轴拉伸真应力真应变曲线中，真应力l l y r 下的真应变。2 b 级 评定的f a d 图如图2 6 所示。 8 过 图2 - 62 b 级评定f a d 图 2 5 2 3 应力分量 二级评定中，应当考虑缺陷邻近区域己知的实际应力分布，包括一次、二次 应力中的膜应力和弯曲应力分量，即p m 、a 、函和9 。对于整个结构中存在 处于自平衡状态的热应力和残余应力的情况，其应力分量可看作是第一类应力， 且合并在西或墨以及厶的计算中。这种情况出现在与热应力、残余应力影响 区域相比缺陷尺寸比较小的场合。 2 5 2 4 残余应力 通常情况下，残余应力被认为是均匀的，二次应力分量9 和函就是采用线 性化方法对不均匀应力分布中得到的。当残余应力被认为是均匀的情况下，残余 应力分量q 卅可认为等于下述数值的下界。 ( 知= 盯y ( 2 1 3 a ) 第二章缺陷安全评定理论基础 或0 - = ( 1 4 一州p ，) 盯r ( 2 - 1 3 b ) 盯r 是在评定温度下材料的屈服强度，除了温度低于周围温度的情况，等式 ( 3 a ) 选用室温值；仃，是评定温度下的流动强度( 假设为屈服强度和拉伸强度 的平均值) 。 在上面残余应力推导式中，如果将二次应力当成了次应力，那么在整个评 定过程中，都必须作为一次应力考虑。 2 5 2 5 断裂比率k r 对于第二、三级评定，2 5 1 5 已经给出了k i 的一般计算方法，但其中k 的 表达式： y a = ( k ) p + ( y ，) 一( 2 - - 1 4 ) 其中( n ) 一、( k ) s 分别代表一次和二次应力分布 轴的计算可以采用下列方程式。郾： 品：旦( 2 1 5 a ) x m m 当出现二次应力时，塑性校正因子( p ) 对一次应力( n ) p 和二次应力( k ) s 分布之间的相互作用有影响，此时 髟：旦+ 口 。 ( 2 1 5 b ) 对于表面破坏和深埋缺陷，应力强度因子k i 的计算值在裂纹前面是不同的。 k x 的最大值常出现在表面缺陷的最深点或者是埋藏缺陷距离表面最近的点。在这 两种情况下，角度参量等于0 = 兀2 ，但是，裂纹前端周围k 1 最大值的所在位置 也可以受到很多因素的影响，包括 缺陷形状比率( a ，2 c ) 表面应力集中( 如焊趾部位) 热冲击 残余应力变化 因此，在表面破坏和深埋缺陷中，应当计算沿裂纹前端多点处的k - 。同样， 也因为缺陷所在材料的非均质性或者约束条件的不同而产生比较大的差别。 一般束说在断裂评定中，k r 应当取裂纹前端计算值的最大值。 2 5 2 ，6 断裂比率函 使用适当的k i 解，通过下列公式获得c t o d ( 6 i ) ： j ；j 生( 2 - 1 6 ) 第二章缺陷安全评定理论基础 其中x ( 其值介于1 到2 间) 是受裂纹尖端、几何约束及材料加工硬化性能 影响的因子。它可通过弹塑性分析加以估计，如果x 的数值不能由结构分析量 化，那么，就取其为1 。 当采用通过得到的进行断裂评定时，并利用相同的试验所测得的 ，可由下式计算得到x 值： 拈忑象硒 。7 ) c r y 万m d l l 一u 2l 对于没有二次应力的评定，参数的6 r 是许用c t o d 值6 i 与断裂韧性j 一的比 值，为便于f a d 图的绘制，6 r 的平方根可以由以下公式计算得到： 一& = 0 6z 6 m d ( 2 1 8 a ) 当存在二次应力时，必须采用附加矫正因子p ，此时 磊：+ d( 2 1 8 b ) 对于表面和深埋缺陷，k i 在裂纹前端变化较大。由方程( 2 1 6 ) 得到的8 i 将 产生类似的变化，选用最大值。 2 5 2 7l ，的估计 在第二、第三级别评定中，载荷比厶可以通过下列公式获得： 厶：堕( 2 1 9 ) 盯y 公式中的盯，可为参考应力。 2 5 3 三级评定延性撕裂评定【8 】 2 5 3 1 主要特征及评定流程图 适用于具有稳定撕裂特征的塑性材料( 如奥氏体和高价铁素体钢) 。然而， 只要能获得一定约束条件下的韧性数据，本级别也可用于由纯塑性撕裂表现出脆 性断裂机理的材料评定中。此等级共分三种，即3 a 、3 b 和3 c 。每一种方法使 用不同的评定曲线且均需进行延性撕裂分析( 需要知道断裂韧性( 6 ) 或者j 阻 力曲线) ，分析结果表现为评定图中的一个点或者多个点形成的轨迹。如果点或 者轨迹位于坐标轴和评定曲线围成的区域内，则缺陷是可以接受的；否则，缺陷 不可接受。 ，的取舍点和安全系数的选择如2 5 2 1 所示，安全余量一般采用保守因子 第二章缺陷安全评定理论基础 ( 备用系数) 和概率方法加以估计。2 5 3 2 中所描述的f a d 用于较高的结构约 束条件下。当韧性是采用标准程序测量得到时，可对其加以修正或选择适当的试 验几何尺寸以适合较低约束条件下的f a d 。三级评定流程图如图2 7 。 图2 ，7 三级评定流程图 2 5 3 2 三级评定f a d 图 a ) 三级a 评定：是2 a 级的推广( 不需要应力应变数据) 3 a 级中的f a d 图与2 a 中相似，但是在应力应变曲线中仞始硬化率较高， 它对结构缺陷的误差做出了合理的较低的估计，应考虑采用3 b 级评定。对于具 有不连续屈服点( 具有屈服平台) 的材料，若采用3 a 级评定，应该严格限制在 l r 1 0 条件下，或者最好使用3 b 级。 b ) 三级b 评定：特定材料曲线 3 b 中的特定材料f a d 由2 b 级得到，需要知道材料的应力一应变数据，尤其 在应变小于1 的情况下。无论何种应力应变行为，它适合于所有金属。 c ) 三级c 评定：卜一积分 对于特殊材料和几何尺寸的特殊f a d 图，可通过对相关载荷条件下含缺陷 第二章缺陷安全评定理论基础 结构进行弹性和弹塑性分析来确定其j 积分数值得到。通过分别确定一定载荷范 围内的上、j 值，( 也即厶值的范围) 得到的评定曲线可通过下列方程加以描述： 当l f l 。，母= v j ) 3 ： 当l ， l 。，恩= 0 其中：j e 和j 对应同一载荷( 相同的厶) 。i g 是l 的函数。 第三章实验 3 1 前言 第三章实验 在含缺陷压力容器安全评定过程中，需要得到母材及焊缝的常规力学性能参 数和断裂韧性参数等数据，也需要进行有关应力参量的计算。为此，进行了常温 下的单轴拉伸试验以得到材料的本构关系。母材c t o d 试验是在常温下进行的， 试样是根据英国标准b s 7 4 4 8 ：1 9 9 1 一p a r ti 确定舍属材料、临界c t o d 和j 积分 的方法”，制备带预制裂纹的三点弯曲标准试样1 9 】。在本课题研究过程中，从现 场采集的实验材料，由于其厚度较小、弯曲变形较大，另外在加工过程中焊接变 形也很大，无法制备标准试样。因此，焊缝的断裂韧性参数只能间接得到。根据 b s 7 9 1 0 评定标准推荐，做了焊接接头的夏比v - 型缺口冲击试验，使用标准推荐 的公式推导得到焊缝的断裂韧性数值。冲击试验根据g b 2 6 5 0 8 0 l lo i “焊接接头冲 击试验方法”进行，制备的是冲击小尺寸试样。 3 2 拉伸试验 3 2 1 材料的力学性能 实验所用材料由河北省1 5 0 火力发电厂提供，由于其厚度较小，弯曲变形较 大，所以根据国家标准g b 6 3 9 7 - - 8 6 t 制备了板状拉伸试件共三件，试件尺寸如 图3 - 1 所示。材料的力学性能如表3 - 1 所示： 图3 - 1 拉伸试什图 第三章实验 表3 - 1a 3 f 钢力学性能 试样编试样厚度试样宽度屈服强度抗拉强度 屈强比延伸率断面 收缩率 号( # ) ( n l r l l )( m m ) 吼( m p a )a b ( m p a )叫a bs k ( ) 饥( ) l5 5 83 0 42 9 2 94 5 4 5 0 6 4 4 3 9 7 25 0 2 2 25 5 83 0 42 7 9 34 5 3 5o 6 1 63 7 5 6 4 5 ，4 1 25 3 23 0 22 8 8 ，34 5 8 80 6 2 83 9 1 05 3 8 6 平均值 2 8 6 84 5 5 606 2 93 8 7 9 4 98 3 3 2 2 材料的特性曲线 拉伸试验在m t s1 0 0 k n 万能试验机上进行，如图3 2 所示。试验时通过力 传感器和夹式引伸计分别记录载荷p 和相应的试件伸长量。试件的标距为 5 0 r a m ，试验得到的尸三曲线如图3 3 所示： 图3 - 2 m t s 万能试验机 d 2 401 01 2 “ t e 1 8 2 0 “ r a m ) 图3 - 3 ，一址曲线 帅 仲 o z兰乱g一 第三章实验 由式( 3 i ) 可得材料的工程应力一应变曲线，如图3 - 4 所示。 仃= p as = a f ，f o ( 3 1 ) 其中彳。试件原始截面积；毛试件原始标距。 图3 _ 4 工程应力一工程应变曲线 试件 工程应力- 工程应变曲线并不能反映材料真实本构关系，因为在拉伸过程中 试样尺寸是不断变化的。真实应力正为任一瞬时作用的载荷p 除以其作用时的 横截面积a ，即= p a ，真实应力可由名义应力求出，因为真实应力盯，可写 为： 矿：! ：上。鱼 a 鸽 a 在均匀变形阶段，试样长度和面积的变化近似服从体积不变原理，即 a d o = a i , 则鲁= 去= 堡丢竺= 占+ 1 ，其中，为p 作用下试件的瞬时长度，据 此有 仇2 豪( f + 1 ) 2 盯( 占+ 1 ) ( 3 - 2 ) 在通常意义下，名义应变的定义是s ：_ a i ：与生，于是应变的增量是 f 0f 0 d = d l l o ，我们把试件在某一瞬间的长度，去除该时刻的伸长量d l 定义为真应变 的增量，即d 8 r = 驯，这样，在长度为f 时的真应变是真应变增量的累积值【2 1 ， 即 t = 胁= 睁如丢，而三l o 一- + 占，所以 啪 枷 蓦| 拼 僻 。 卜墓v b嚣m靠 第三章实验 占r = 1 n ( 1 + 占) ( 3 - 3 ) 应用式( 3 2 ) 、( 3 3 ) 将工程应力一工程应变曲线转变为真应力一应变曲线， 如图3 5 所示： 3 3c t o d 实验 3 3 1 试验设备 00 00 0 1 00 1 5o _ 2 00 2 50 0 玛 t r u es t r a i n 凸 图3 - 5 真应力一真应变曲线 试验是在p l g 一2 0 c 高频疲劳试验机上预制疲劳裂纹，在2 5 吨m t s 万能材 料试验机上进行三点弯曲试验。实验设备如图3 - 6 所示： 图3 - 6 试验设备图 3 ，3 2 试样制备及实验步骤 根据英国标准b s 7 4 4 8 ：1 9 9 1 - p a r ti “确定金属材料、l 临界c t o d 和j 积分的 啪 珊 瑚 辨 蛳 伽 o _ l h】6s； 第三章实验 方法”，制各带预制裂纹的三点弯曲( t h r e e p o i n t b e n d ) 标准试样，试样尺寸 为；b x w l = 6 x 1 2 x 5 5 2 m m ，试样从报废的1 5 0 电厂锅炉除氧器上截取，试 样如图3 - 7 示： 嘲样厚度 _ 试样宽度 a 一裂纹长度 w = 2 b a = ( 0 4 5 0 5 5 ) 墨r 一 刊i 图3 7 长方形截面弯曲试样 试样加工尺寸要求：( 1 ) 裂纹最小应为o 4 5 倍的试样厚度，即a w 0 ，4 5 ： ( 2 ) 在机械缺口上预制的疲劳裂纹长度不小于1 3 m m 或1 2 5 试样宽度的二者 最小值；( 3 ) 裂纹两表面长度不大于二表面均值的1 5 ；( 4 ) 预制的疲劳裂纹 平面与裂纹扩张平面夹角不大于1 0 。 预制疲劳裂纹规定：要求在室温下进行，且最大预制疲劳裂纹载荷e 应是 下述三中情况最低者【2 】： 卜 仃。对应于o 2 应变的应力； 盯。断裂实验温度下o 2 应变时的应力。 具体实验步骤如下： ( 1 ) 实验前用游标卡尺精确测量每个试件的厚度b 、韧带厚度( w a ) ，实 验后校核裂纹尺寸，测量精度为o 0 2 m m 。 ( 2 ) 加载速度k ，在线弹性变形时应保证在o 5 3 0 m p a 研“5 s 。之间。 ( 3 ) 记录载荷一缺口张开位移即f v 曲线，试验时保持f v 曲线初始斜率 学爿型告逆咻瑟前 第二章实验 在o 8 5 1 5 之间，可用低于最大疲劳预制载荷的载荷反复加载几次以减少非线 性误差，试验至载荷不再上升或断裂时停止。 ( 4 ) 试验后，测定裂纹初始长度和裂纹扩张量。 测量方法：将裂纹沿厚度方向分为8 等分，两端端点各距表面0 1 b ，首先 将这两点长度值平均，再将该均值与其他7 点裂纹长度测量值平均。a o ，w 比值 应在o 4 5 o 5 5 之间，九点裂纹长度测量值中的任意长度误差不超过o 1 ，平 均裂纹长度值将用来计算c t o d 。任一条所测裂纹长度中的疲劳裂纹长度均不 小于1 3 m m 或2 5 w 。疲劳裂纹平面与裂纹扩展面的夹角应不大于1 0 6 。 3 3 3 典型载荷一位移，一矿试验曲线 在载荷一位移( f v ) 曲线上，从脆性启裂、失稳或最大载荷平台开始点 作平行直线，得到裂纹张开位移塑性部分值，典型载菏一位移( f v ) 曲线 如图3 8 、图3 - 9 所示。 2 邑 正 絮 三 一2 5 蚕 乱20 i 1 , 5 p r o = 2 2 7 8 7 酬 厂 图3 - 98 # 试样f y 曲线 第三章实验 3 3 4c t o d 值的计算啪 根据b s7 4 4 8p a r ti 中相关部分计算c z o o 值，计算公式如下： j = 斋借) 2 紫+ 躁 c ，4 ， f f v 曲线上的最大载荷值； 圪一最大载荷时的塑性张开位移； t r 一裂纹尖端处实验材料在实验温度下的屈服强度； 弹性模量e = 2 1 0 x 1 0 5 m p a ； 泊松比y = 0 3 ： z 固定钳形夹的刀口高度； s 弯曲跨距。 = 吉( 半十参 ，其栅触鲫为则数据 f ( a o 形、= 3 f 鱼r 一- ，9 一( 参 ( ，一参 ( z 朋3 。9 3 嘞iz 7 矿a 0 2 ： l 矽 2 ( ，+ 等) ( - 一玎 查表得到。 根据公式3 - 4 ，c t o d 计算结果如表3 2 所示： 表3 - 2 室温下a 3 f 钢c t o d 计算结果 ，该值也可 试样 a 0 z p p u ，p m )v pf i c ( q s u ，5 m 1 ( # ) ( m m )( r a m )( k n ) ( m m ) ( r a m ) 15 ，8 9 41 8 8 2 4 9 6 51 1 6 9 90 5 1 9 8 7 26 0 3 8 31 9 2 3 8 7 61 5 6 3 00 5 8 7 3 9 36 1 5 4 81 8 8 2 3 2 5 51 6 2 4 l0 5 9 0 7 7 46 1 5 9 11 8 6 2 2 5 3 01 1 6 4 70 4 7 7 7 】 56 2 6 1 81 92 2 4 8 1 1 5 3 2 90 5 6 3 4 6 6 5 9 9 3 91 92 4 4 3 61 5 4 8 4 0 5 9 2 0 8 7 6 1 2 5 81 1 82 2 7 7 0 1 3 6 3 40 5 5 2 1 5 8 6 1 4 4 91 8 82 2 7 8 71 4 2 3 7 0 5 3 6 2 6 96 0 5 5 41 9 22 4 2 3 4 1 2 9 1 20 5 3 5 4 9 1 05 9 2 9 81 8 82 4 4 9 9 1 2 3 3 50 5 1 6 2 8 第三章实验 3 3 5 试验结果的统计处理 资料表明，c t o d 特征量存在一定的分散性，尤其在韧脆转变温度区分散性 就更大。近几年，国内外对金属的概率分布进行了研究，取得了可供参考的数据。 本课题在a 3 f 钢裂纹张开位移6 ( 把同一试验条件下相同