（材料加工工程专业论文）含缺陷电厂压力容器应力分析及安全评定.pdf

中文摘要 压力容器是一种易发生破坏性事故的设备，因此压力容器的安全评定也显得 越来越重要。压力容器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和整个电网稳定供电，而且对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， 提出了一系列的含缺陷结构安全评定准则，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。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。 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 p r e s s u r ev e s s e li sak i n do fe q u i p m e n tw h i c hi se a s yt oh a v et h ed e s t r u c t i o n a c c i d e n t ，s ot h es a f e t ya 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 e i m p o r t a n t 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 dm 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 ta n dt 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 k ，b u ta l s oh a st h ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt or a i s et h ee c o n o m i c e f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，t h es a f e t ya s s e s s m e n to 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 das e r i e so fs t a n d a r d sf o r a s s e s s i n gt h ea c c e p t a b i l i t yo ff l a w si nm e t a l l i cs t r u c t u r e sa r ee s t a b l i s h e d ，s u c ha s b s 7 9 10 ，s i n t a p , a n dg b t i9 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 r s 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 e e 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 e e x p e r i e n c e ，a n dc a no 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 n m e c h a n i s me 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 910w 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 ne 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 r em a d e t h e nam a t e r i a lp a r a m e t e r d 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 hp r o c e s s ，t h ef e am o d e l so ft y p i c a lp o w e r p 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 dt 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 g h 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 sd a t a b a s ew a se s t a b l i s h e d t h ee x p e r ts y s t e m i sa ne 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 pt 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 k e yw o r d s ：p r 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 7 910 ，e x p e r t s y s t e m i j 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，也不包含为获得苤鲞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： 玉喜 签字日期：叼年6 月f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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：玉善导师签名： 签字日期：。7 年多月i 午日 签字日期： 势盼 q 7 年易月( 乒日 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论弟一早三否下匕 压力容器是工业生产中的常用设备，特别是在化学、石油以及电力工业中更 是离不开压力容器，而且是一种易发生破坏事故且事故的危害性大的设备。压力 容器的破坏，不仅是容器本身遭到毁坏，而且还往往会破坏周围的设备及建筑物， 并造成人身伤亡事故，所以，对工业压力容器的安全管理决不可掉以轻心。无论 是国产压力容器还是进口压力容器，都不可避免地存在不同程度的缺陷，而且压 力容器在使用过程中，还会因载荷、介质等各种因素的影响，萌生出新的缺陷【l j 。 如何对待缺陷，特别是超过现行标准的缺陷，是工程界普遍关心的问题。如果坚 持不允许任何缺陷存在那是不经济的，如果不加分析任其存在，那也是危险的。 实践证明，并非所有超标缺陷都导致压力容器失效，重要问题是对缺陷加以区别， 进行必要的分析评定，消除那些带有潜在危险的缺陷，而对安全没有威胁的缺陷 则予以保留。 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”( f i t n e s s f o r - s e r v i c e ) 原则的压力容器安全评 定方法。 早在1 9 6 8 年，国外就提出应制定基于“合于使用”的结构缺陷接受准则，从 上个世纪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。目前基于“合于使用”原则的含缺 陷压力容器的安全评定在石油、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“电厂含缺陷 压力容器应力分析和安全评定”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。 第一章绪论 1 2 基于“合于使用 原则的压力容器安全评定概述 “合于使用”原则是针对“完美无缺原则而言的。“合于使用”评定技术 是以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础，承认结构存在 构件形状、材料性能偏差和缺陷的可能性，但在考虑经济性的基础上，科学分析 己存在缺陷对结构完整性的影响，保证结构不发生任何已知机制的失效，因而被 广泛应用于工程结构质量评估中。 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，包括断裂强度口6 ，屈服强度口。，断裂韧性 k z 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 】。 1 3 基于“合于使用”原则的国外缺陷评定规范的新进展 自上个世纪7 0 年代起，在国际上较早提出的评定方法中，如i i w 于1 9 7 5 年提 出的i i s i i w 4 7 1 7 4 ，英国p d6 4 9 3 8 0 ，日本的w e s2 8 0 5 k - - 8 3 和我国压力 容器缺陷评定规范c v d a - - 8 4 等都是采用c o d ( c r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 准 则，即以c o d 设计曲线方法作为评定缺陷的准则。虽然方法简洁直观，但作为一 种半经验方法，在应用过程中也存在不符合实际的情况，要进行精确的缺陷评定， 尚存有一定的局限性。因此，近年来国际上提出了考虑弹塑性变形的三级评定方 法【4 】o 目前得到工程很好验证并普遍采用的主要有a p i5 7 9 1 5 1 、r 6 1 6 1 、s i n t a p 7 以及b s 7 9 10 t 酬等。 1 - 3 1a p i5 7 9 标准 近年来，美国结构完整性评定技术也有很大发展，在规范中最引入注目的就 是已出版的a p i5 7 9 ( 推荐用于合于使用的实施方法) 和正在准备的a p i5 8 0 ：2 0 0 0 “r e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rr i s k - b a s ei n s p e c t i o n 。美国石油学会- t - 2 0 0 0 年颁布了 针对在役石油化工设备的合于使用评定标准a p i5 7 9 ，在内容上具有鲜明特色， 第一章绪论 反映了结构完整性评定技术研究范围有了很大的拓宽。a p i5 7 9 的工业背景是石 油化工承压设备，其特点是更多反映了石油化工在役设备的安全评估。a p i5 7 9 与其它标准不同之处是不仅包括在役设备缺陷安全评估，还在很广范围内给出在 役设备及其材料的退化损伤的安全评估方法，如：均匀腐蚀的评定、局部减薄及 槽状缺陷的评定、点蚀的评定、鼓泡及分层的评定、高温蠕变操作元件的评定、 火灾对设备造成损伤的评定。 1 3 2c e g br 6 失效评定准则 英国中央电力局( c e g b ) 提出的r 6 评定准则是一个双判据准则，该准则经 历了4 次修订。1 9 7 6 年英国c e g b 发表了题为“带缺陷结构完整性评价”r h r 6 报告，给出了一条失效评定曲线，1 9 7 7 年作了第一次修订，1 9 8 0 年又进行了第二 次修订，1 9 8 6 年第三次修订是一次极为重要的修订，对老r 6 曲线作了彻底地修 改，以，积分取代窄条区屈服模型，给出了3 条失效评定曲线。关于塑性失稳载 荷的计算，将1 9 8 6 年以前的以材料的流变应力为基础改为以材料的屈服强度为基 础。而最近的一次修订是在2 0 0 1 年，是由英国b r i t i s he n e r g y ( 英国核电公司) 、 b n f l ( 英国核燃料公司) 及a e a ( 英国原子能管理局) 组成的结构完整性评定 规程联合体下的r 6 研究组编制的。r 6 第3 版后已陆续增补丁1 0 个新附录，由于近 年来断裂力学评定技术的发展特别是欧洲工业结构完整性评定方法( s i n t a p ) 、 英国b s 7 9 1 0 和美国a p i5 7 9 的出现，r 6 研究组决定对r 6 作了全面修改，于2 0 0 1 年颁布了第4 次修订版。 1 3 3 欧洲工业结构完整性评定方法( s i n t a p ) s i n t a p ( s t r u c t u r a li n t e g r i t ya s s e s s m e n tp r o c e d u r e sf o re u r o p e a ni n d u s t r y ) 是 由欧洲多个国家、企业资助，于2 0 0 0 年发布试行的最新欧洲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。 该标准共分7 个评定水平，当只知屈服应力时使用缺省0 水平，该水平从夏比 冲击数据估计断裂韧性；当屈服应力、最大拉伸应力及接头强度不匹配程度小于 1 0 时，可进行水平1 基本评定；水平2 失配评定与水平1 数据基本相同，在母材 和焊材参数已知情况下，接头不匹配程度可以稍高于1 0 ；水平3 应力一应变评 定要求全部应力一应变曲线已知；水平4 拘束评定需要额外的数据进行与裂尖拘 束状况相关的断裂韧性估计；水平5 ，积分评定采用应力一应变数据进行数值分 析以确定j 值，与低水平相比降低了保守度；水平6 裂前泄露( l b b ) 评定，可对 部分穿透及穿透裂纹的稳定与扩展进行考察。 第一章绪论 1 3 4b s 7 9 1 0 标准 英国标准委员会( b s i ) 在1 9 9 9 年底公布、2 0 0 0 年发表的修正版英国标准， 称为b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 。在使用了近2 0 年的p d6 4 9 3 及其发展版本的基础上，p d 6 4 9 3 ：1 9 9 1 已与p d6 5 3 9 ：1 9 9 4 ( 高温评定方法) 合并，根据它们近十年来研究成 果，包括s i n t a p 的欧洲统一安全评定方法的研究成果，仍然采用三级评定方法 对金属结构种的缺陷进行安全评定，2 0 0 5 年又进行了一些修正和补充，更新为 b s 7 9 1 0 ：2 0 0 5 。b s 7 9 1 0 的总体结构如图1 1 所示b 。r 6 、b s 7 9 1 0 的工业背景主 要是电站( 包括核电) 及海洋石油平台，它们的发展主要反映了缺陷的断裂评定 技术( 包括塑性失效评定) 和疲劳评定技术的发展。本课题选用b s 7 9 1 0 的评定 路线，研究电厂含缺陷压力容器的评定方法。 图1 1b s 7 9 1 0 的总体结构 按“合于使用”原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定或方法 越来越走向成熟，已在国际上形成了一个分支学科，在广度和纵深两方面均取得 了重大发展。在广度方面新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、材料退化 评定、概率评定和风险评估等内容；在纵深方面：弹塑性断裂、疲劳、冲击动载 和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分析、无损检测技术等均取得很大的进展。 1 4 课题的主要研究内容和研究方法 1 4 5 主要研究内容 在本课题中，以国际通用的英国国家标准b s 7 9 1 0 “金属结构中缺陷验收评 定方法导则”为依据，根据压力容器的性能，所受到的载荷大小，所处的工作环 第一章绪论 境等条件，对在役压力容器进行安全评定。通过所开发的软件，对在役压力容器 中出现的缺陷进行迭代计算，判定缺陷对压力容器的正常运转带来的危害性，为 在役压力容器的管理与维护中进行的无损检测提供缺陷验收的依据。这不仅避免 了返修，报废压力容器带来的不必要的经济损失，而且为压力容器的安全使用奠 定了坚实的基础。本课题主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 掌握b s 7 9 1 0 “金属结构中缺陷验收评定方法导则”标准。 ( 2 ) 对电厂所使用的压力容器板材进行拉伸试验、冲击试验、c t o d 实验 等材料力学性能测试试验得到材料的常规力学性能参数和断裂韧性参数等数据， 以此为基础建立材料性能数据库，为用户方便使用专家系统创造条件。 ( 3 ) 通过有限元软件a n s y s 对压力容器进行应力分析，采用数值模拟的方 法对电厂中的拟评定压力容器进行应力参量分析，得到在役压力容器各部位的应 力参量，以此为基础建立分类应力数据库，为缺陷评定专家系统提供了可靠的支 持。 ( 4 ) 采用依据评定标准编制的缺陷安全评定专家系统，对缺陷进行安全评 定，得出相应的结论。 1 4 6 研究方法 本课题的研究的思路流程图如图1 - 2 所示： 图1 2 课题研究思路流程图 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论8 】 对于在用含缺陷压力容器的安全评定，国内外已经有很多相关的评定标准， 其中我国于2 0 0 4 年颁布了g b 厂r1 9 6 2 4 2 0 0 4 ，目前的影响还比较小。国际上使用 最广泛的b s 7 9 1 0 ( 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、2 0 0 0 年发表的完整版的英国标准，称为b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 ，2 0 0 5 年又进行了一些修正和补充，更新为b s 7 9 1 0 ：2 0 0 5 。 b s 7 9 1 0 标准在国际上普遍使用，经过多年的实践检验，具有很高的可靠度， 并且b s 7 9 1 0 的工业背景主要是电站( 包括核电) 及海洋石油平台。因此，本课 题研究参照英国标准b s 7 9 1 0 展开，按照标准要求开展相关的试验、分析等工作。 并基于本标准编写了缺陷评定专家系统，在理论方面是具有先导性的。 2 1b s 7 910 标准评定所评缺陷类型 b s 7 9 1 0 评定标准评定的缺陷包括三种类型，分别是：( 1 ) 平面缺陷，包括 裂纹、未熔透、咬边、凹面和焊瘤等；( 2 ) 非平面缺陷，包括凹坑、固体夹杂物、 局部变薄等；( 3 ) 形状缺陷，包括错边、非完整剖面等。 2 2b s 7 9 1 0 推荐的缺陷评定步骤 对已知缺陷的评定，推荐使用如下评定步骤： ( 1 ) 确定缺陷类型，即确定平面缺陷、非平面缺陷或形状缺陷； ( 2 ) 确定和相应结构相关的基本数据； ( 3 ) 确定缺陷的尺寸； ( 4 ) 评定可能的材料断裂机制和断裂比率； ( 5 ) 确定最终失效模式的极限尺寸； ( 6 ) 根据断裂比率，评定缺陷是否会在结构的剩余寿命内扩展到极限尺寸， 或者在役间隔检查亚临界裂纹扩展： ( 7 ) 在考虑适当的安全因子的情况下，如果缺陷不会增长到极限尺寸，则 缺陷是可接受的。如果安全因子能考虑到评定的置信度和失效的后果是最理想 的。 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 2 3 缺陷评定过程所需的基本数据 评定过程需要以下基本数据： ( a ) 缺陷的种类、位置和方向； ( b ) 结构和焊缝尺寸，制造工序； ( c ) 应力( 压应力、热应力、残余应力荷其它任何形式的机械载荷产生的 应力) 和温度( 包括瞬态温度) ； ( d ) 屈服强度或者o 2 条件屈服强度，抗拉强度和弹性模量( 一定情况下， 需要完整的工程应力一应变曲线) ； ( e ) 断裂韧性( k z c 、j 和c t o d ) 数据。 2 4 平面缺陷断裂评定b s 7 9 1 0 简介 2 4 1 缺陷h 佃4 4 - 述及复合 2 4 1 1 评定时所需要的缺陷尺寸 b s 7 9 1 0 要求通过无损检测方法确定缺陷类型、尺寸及位置。平面缺陷一般 是通过其包络线的矩形高度和长度来定义的，其尺寸如图2 1 所示。各种缺陷特 征尺寸分别为：表面缺陷a 和2 c ；埋藏缺陷2 口，2 c ；贯穿缺陷2 口。 四e 【固8 一 ( b )( c ) 押 ( d )( e ) 图2 1 缺陷形状尺寸 ( a ) 贯穿缺陷( b ) 埋藏缺陷( c ) 表面缺陷( d ) 焊根咬边缺陷( e ) 圆周内壁缺陷 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 2 4 1 2 缺陷复合 1 、共面裂纹复合 若在同一个横截面上存在多个缺陷，不可避免地存在缺陷间相互作用，从而 产生比单个缺陷更为严重的影响。为此，需要对缺陷进行复合来确定有效缺陷尺 寸。多缺陷间的复合方法具体如下： ( 1 ) 共面表面裂纹复合 图2 2 图2 2 所示缺陷，裂纹1 的深度a j 和宽度2 c j ；裂纹2 的深度a 2 和宽度2 c 2 裂纹距离s 。其中：c 1 l 时，s 一2 c i ； i i ) 当a j c j 且a f l c 2 1 时，严0 ； 则可对缺陷进行复合，其复合后的尺寸为： a = m a x a l 、a 2 2 c = 2 c 1 + 2 c 寸s ( 2 ) 共面埋藏裂纹复合 图2 3 图2 3 所示缺陷，裂纹1 的深度2a j 和宽度2c ，；裂纹2 的深度2a 2 和宽度 2q ；裂纹距离j 。 如果： s a l + a 2 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 则缺陷复合尺寸为： 2 a = 2a l 娩n 寸s 2 c = m a x 2 c l 、2 c 2 图2 4 图2 4 所示缺陷，裂纹1 的深度2a l 和宽度2c j ；裂纹2 的深度2a 2 和宽度 2c 2 ；裂纹距离s 。其中：c l l 时，s 弋2 c j i i ) 当a f l c j 且a 2 c 2 1 时，s = o ， 则缺陷复合尺寸为： 2 a = 2 a 2 2 c = 2 c 1 + 2 c 帝s 图2 5 如图2 5 所示缺陷，裂纹1 的深度2 研和宽度2c j ；裂纹2 的深度2a 2 和宽 度2q ；裂纹距离s 和& 。其中：c l 1 时，j 2c 1 i i ) 当a f l c l 和a 2 c 2 1 且s 2 a l + a 2 ，8 1 = o ， 则缺陷复合尺寸为： 2 a = 2 a t + 2 a 2 + s 2 2 c = 2 c 1 + 2 c 寸sl ( 3 ) 共面的表面裂纹和埋藏裂纹复合 9 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 图2 6 图2 - 6 所示缺陷，裂纹1 的深度2 口j 和宽度2c ，；裂纹2 的深度啦和宽度 2q ；裂纹距离s 。 如果： s a t + a 2 则缺陷复合尺寸为： a - - - 2 a j + n 寸s 2 c = m a x ( 2 c 卜2 c 2 图2 7 图2 7 所示缺陷，裂纹l 的深度口j 和宽度2c l ；裂纹2 的深度2 啦和宽度 2 旬；裂纹距离s ，和印。其中：c l 1 时，s 一2 c l i i ) 当a f f c j 和a 2 c 2 1 且s 2 一a l + a 2 时，s l = 0 ， 则缺陷复合尺寸为： c l = nl 2 q 2 + s 2 2 c = 2 c 1 + 2 c 寸sl 2 、非共面裂纹复合 ( 1 ) 焊缝中的非共面埋藏裂纹复合 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 i 卜主应力平面 ( a )( b ) 图2 8 ( a ) 主应力平面是焊缝中主应力在三个平面上投影的产生应力集中、参考应力值比较高的面 ( b ) 焊缝在主应力平面上的投影 图2 - 8 所示分布的缺陷：裂纹l 的深度2 a l 和宽度2 c j ；裂纹2 的深度2 a 2 和 宽度2 印；裂纹距离s ，和。其中：c j 1 时，s 2 一2 c l i i ) 当a f l c j 和a 2 c 2 l 时，s 2 = o 则缺陷复合尺寸为： 2 口是投影面上最小高度 2 c = 2 c 1 + 2 c 2 + s 2 ( 2 ) 焊缝中的非共面表面裂纹和埋藏裂纹复合 ( a )( b ) 图2 9 ( a ) 主应力平面是焊缝中主应力在三个平面上投影的产生应力集中、参考应力值比较高的面 ( b ) 焊缝在主应力平面上的投影 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 图2 - 9 所示分布的缺陷，裂纹l 的深度2 a l 和宽度2 c j ；裂纹2 的深度啦和 宽度2 c 2 ；裂纹距离s ，和。其中：c ， 1 时，2 c l i i ) 当a f l c l 和a 2 c 2 1 时，s 2 = o 则缺陷复合尺寸为： a 是投影面上最小高度 2 c = 2 c j + 2 c 矿 ( 3 ) 相交焊缝中的非共面埋藏裂纹复合 取 ， 一一。、 ，7 、 ：( ( 撼丽 ，、 、彳。、 哆o ： 奄 一一一_ 、 一，。、 ，+ 、 、 ，、- ， 、- 主应力平 ( a )( b ) ( a ) 主应力平面是焊缝中主应力在三个平面上投影的产生应力集中、参考应力值比较高的面 ( b ) 焊缝在主应力平面上的投影 图2 1 0 图2 1 0 所示分布的缺陷，裂纹1 的深度2 a l 和宽度2 c j ；裂纹2 的深度2 a 2 和宽度2 c 2 ：裂纹距离s ，和曲。其中：c j 1 时，s 2 三m 缸，万或k r = o 其f a d 如图2 1 5 所示，对不同的材料，取舍点不同。对应力应变曲线具 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 k r 或e 。 厶 图2 1 52 a 级评定f a d 图 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 图无法得到，则对于三，_ 0 或厶 1 0 时，采用下式进行估计： ：f g ，：l 溅k ，g ，：1 ) ：l + 如上盯y + 1 【2 6 + e 6 上仃y 胪5 ( 2 1 4 ) 其中吼= 0 0 3 7 5 0 一盯；1 0 0 0 ) ( 此关系限制在盯； 1 ) = 万( ，= 1 ) 三，。1 m 或瓜( 三， 1 ) = i ( 三，= 1 ) l ，川m ( 2 1 5 ) 其中n = 0 3 ( 1 一仃；吼) 是下界应变硬化指数。 ( 2 b ) 2 b 级评定( 材料特殊曲线) 此方法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，需要提供在合适温度下的母材和焊缝金属的应力一 应变曲线，还应当提供足够的应力一应变关系坐标点、下界屈服强度或者0 2 的条件屈服强度、抗拉强度以及弹性模量来确定出曲线。对于应变低于l 的应 力一应变曲线，推荐采用施加应力( o - ) 与屈服强度( 田) 在下列比值点处的值 来准确定义工程应力一应变曲线。 t r o y = 0 7 ，0 9 ，0 9 8 ，1 0 ，1 0 2 ，1 1 ，1 2 ，及以0 1 为间隔直n o - , , 。 评定线方程如下： 觏瓯缸，府弘陪+ 筹厂 若l r l m 双，万，或k r o 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 占阿是通过单轴拉伸真应力一真应变曲线中，真应力厶田下的真应变。2 b 级评定的f a d 图如图2 1 6 所示。 k 威厄 00 7 l 图2 1 62 b 级评定f a d 图 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、凡、q m 和q b 。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 合并在万或厨以及厶的计算中。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。 4 、残余应力 通常情况下，残余应力被认为是均匀的，但是对于焊接接头的残余应力不能 认为是均匀的。对于不均匀应力分布的二次应力分量q b 和q m 需要采用线性化 方法中得到。当残余应力被认为是均匀的情况下，残余应力分量q m 可认为等于 下述值的下界。 绋= 口；r ( 2 1 6 a ) 或q - = ( 1 4 一o ”i o - r ) t r r ( 2 1 6 b ) 仃y 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 ( 2 1 6 a ) 选用室温值；仃，是评定温度下的流变强度( 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一次应力，那么在整个评 定过程中，都必须作为一次应力考虑。 5 、断裂比率墨 对于第二、三级评定，( 2 5 ) 已经给出了硒的般计算方法，但其中珩的 表达式： 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 y t r = 盼) 口+ ( 珩) ， ( 2 1 7 ) 式中：( m 。、( 珩) ，分别为一次和二次应力分布。 墨的计算可以采用下列等式，即： 茁：旦( 2 1 8 ) 当出现二次应力时，塑性校正因子( p ) 对一次应力( 珩) p 和二次应力( 珩) 。分 布间的相互作用有影响，此时： 缸：旦+ p ( 2 1 9 ) k m l 对于表面破坏和深埋缺陷，应力强度因子局的计算值在裂纹前端附近是不 同的。局的最大值经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 = 7 r 2 ，但是，裂纹前端周围局最大值所 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) 、热冲击和残余应力变化。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局。同样，砒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。一般来说在断裂评定中，墨应当取裂纹 前端计算值的最大值。 6 、断裂比率万， 使用适当的局解，通过下列公式获得c t o d ( 万，) ： v 2 8 12 x c ：r r e 一 ( 2 - 2 0 ) 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 。 当采用通过得到的缸进行断裂评定时，并利用相同的试验所测的的 磊砒，可由下式得到x 值： 拈币珂 - i m a f 刁( 2 - 2 1 )o y 6 m 讲￥一u1 对于没有二次应力的评定，参数的万，是许用c t o d 值万，与断裂韧性的 比值，为便于f a d 图的绘制，万，的平方根可以由以下公式计算得到： 0 6 r = 0 6 i 垮删 ( 2 2 2 ) 当存在二次应力时，必须采用附加矫正因子p ，此时： 1 j 6 r = 一6 l 6 删+ p ( 2 2 3 、) 对于表面和深埋缺陷，局在裂纹前端变化较大。由方程( 2 2 0 ) 得到的万， 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 将产生类似的变化，选用最大值。 7 、厶的估计 在第二、第三级别评定中，载荷比厶可以通过下列公式获得： l ，：o r e ( 2 2 4 ) o y 2 4 2 3b s 7 9 10 的三级评定 三级评定适用于在断裂过程中表现为稳定撕裂特征的塑性材料( 如处于脆性 转变温度以上的铁素体和奥氏体钢) ，但是如果材料的断裂韧性是从具有足够约 束条件的试件测量得到的话，那么三级评定也可以用于在一定纯延性撕裂之后表 现为脆性失效机制的材料。该评定等级共分三种：3 a 、3 b 和3 c 。 每种方法使用不同的评定曲线并进行延性撕裂分析。分析的结果表现为评定 图上的一个评定点或者多个评定点连接而成的一条线。当单个评定点或者多个评 定点连接成的线的任一部分位于由坐标轴和评定曲线包围的面积中时，那么该缺 陷就是可以接受的，否则，该缺陷就是不可以接受的。 三级评定本身也同样不包含内置的安全因子，因此量化评定结果的可靠性， 使之达到所需要的可靠性，应该使用适当的“局部安全因子”。对于进行延性撕 裂分析的三级评定，断裂韧性应该以裂纹尖端张开位移艿或，积分阻力曲线的形 式进行测量得出。在三级评定中，关于应力分量和相关因子的确定、残余应力的 处理方法，求解外载作用下的局和艿，都与二级评定中处理的方法相同。 三级评定的流程图如图2 1 7 所示。 1 、三级评定f a d 图的评定曲线 三级评定中，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，相关使用的规定也和其相同，只是对于具有屈服 平台的材料进行3 a 级评定时，对横坐标的限制应该在l r 1 0 的范围内，相关 的其他规定均可参见二级评定的相关部分。 但是严格而言，根据裂纹稳态扩展的程度大小进行的撕裂分析，使用的f a d 图应该进行一定的修正。但是由于影响较小，忽略其影响是可以接受的。 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。 当厶l m 觚时，k = z 当厶 l m 舣时，k = 0 其中，以和j 对应同一载荷( 相同的l ，) 。厨是厶的函数。 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 图2 1 7 二级评定流程图 2 、三级评定的塑性撕裂分析 对于塑性撕裂分析，裂纹的撕裂抗力墨斌、厶砒、6 m 缸均是裂纹塑性扩展量 a a 的函数。对于r 曲线的测定应该严格按照b s 7 4 4 8 4 的规定进行。无论利用 单一的试样还是多个试样进行实验，所使用的实验方法都将得到表征断裂韧性和 a a 函数关系的阻力曲线。断裂韧性值应该以一系列的一个或两个参量的形式 ( 6 m a t 或从，积分值得到的k m 砒) 得以表征。 当采用单一试样法测量断裂韧性时，应该至少使用三个独立的试样进行测量 得到实验数据，采用测量结果的下限曲线。当采用多个试样测量时，应该最少需 要六个试样，并采用测量结果的下限曲线。对于两种测量方法，试样中裂纹所在 平面以及扩展的方向都应该和实际结构中裂纹所在平面和扩展方向相一致，当实 验数据的分散度较大时，应该增加测量试样的数量来增加主曲线的可靠度。 第二章b s 7 9 1 0 断裂评定理论 当材料存有韧脆转变现象时，如果实验中使用的试样比实际结构的厚度薄， 那么可能由于断裂机制的不同而无法得到具有代表性的断裂韧性值 9 1 1 1 0 】。因此当 材料具有脆性断裂的可能时，实验中所用的试样应该尽量采用和实际结构相同的 厚度。对于厚度很大的结构而言，或者由于几何尺寸的影响，或者由于现有机器 容量的限制，并不能总是保证在实验中使用的试样的厚度和实际结构的厚度完全 一致，因此在这样的情况下，实验数据应从尽可能厚的试样的实验结果得到，并 在对增加厚度尺寸的可能产生的影响作出评估以后，再将断裂韧性的结果应用到 对实际结构的评估中。 当材料不存在韧脆转变的可能时，比如对于非