国外压力容器和工业结构缺陷评定规范的新进展一

国外压力容器和工业结构缺陷评定国外压力容器和工业结构缺陷评定 规范的新进展一规范的新进展一 本文介绍最近四年来国际上结构完整性评定技术的发展 主要 集中在近年来世界各国有关规范的发展与变化 作为 1992 年及 1997 年在第三届和第四届全国压力容器学术会议专题报告 压 力容器缺陷评定规程的发展趋势 1 及 压力容器及管道断裂评 定技术研究进展 2 的续篇 近年来国际上广泛地将缺陷评定及安全评定称之为完整性评定 或 合乎使用 评定 它不仅包括超标缺陷的安全评估 还包括 环境 介质与温度 的影响和材料退化的安全评估 鉴于我国 已经习惯称之为缺陷评定 且中文 缺陷 二字既可理解为 defect 也可理解为 drawback 本文在标题中仍然保留了 缺陷评定的术语 但不一定限制为一个有具体几何尺寸的缺陷 评定 按 合乎使用 原则建立的结构完整性技术及其相应的工 程安全评定规程 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 在评定规范和方法方面 英国的 r6 规范第 3 版 1986 3 和 pd 6493 1991 4 对我国压力容器安全评定规范 sapv 95 的建 立起过很重要的作用 瑞典缺陷评定规范 手册 5 的译文也 在我国广为流传 德国 ckss 研究中心 1991 年发表了 efam etm 的工程缺陷评定方法 6 法国在其 核电厂部件在役检验规则 rse m code 7 的第五章中给出了 缺陷评定方法 这些 国家的标准都有一个长期工作组织 不断予以更新 例如 1996 年瑞典又给出了 带裂纹构件安全评定规程 手册 sa fou report 的修订版 8 值得指出的是近年来欧美安全评定规范的发展有两件标志性的 大事 第一件是 1996 年欧洲委员会 european commission 为了建立一个统一的欧洲实施合于使用评定标准 发动组织了 一个研究计划 有 9 个国家的 17 个组织参加 于 1999 年完成 了 欧洲工业结构完整性评定方法 简称 sintap 9 已于 2000 年发表并已形成了一个未来欧洲统一标准的草稿 由于英 国 r6 pd 6493 德国的 ckss 及瑞典技术中心都是 sintap 研 究的核心成员 sintap 也是他们共同参与研究后形成的共识 鉴于 sintap 不久将要成为欧洲的统一标准 r6 及 bs pd 6493 在它即将颁布新版前夕 对它们各自的修改稿又作了一次紧急 修改 r6 于 2001 年颁布了他的全新版 第 4 版 10 pd 6493 于 2000 年颁布了他的修订版 但代号已改为 bs 7910 1999 11 取消了 pd 代号而正式列入正规的英国标准 第二件大事是美国石油学会于 2000 年颁布了针对在役石油化工 设备的合乎使用评定标准 api 579 12 在内容上具有鲜明特 色 反映了结构完整性评定技术研究范围有了很大的拓宽 鉴 于世界各国缺陷评定规范的迅速发展 international journal of pressure vessel and piping 期刊于 2000 年发表了一个专 刊 题名为 缺陷评定方法 13 介绍了国际上十个缺陷评定 规范的进展 其中也包括了我国八五攻关编制的 sapv 95 14 1 欧洲工业结构完整性评定方法 sintap 9 european comsertium 于三年前开始组织欧洲 9 个国家 17 个组 织研究 于 1999 年 4 月完成了 sintap 的编写 这将是欧洲统 一的合乎使用标准的初稿 应该引起国人的注意 1 1 sintap 第 1 章中缺陷评定的两类分析方法和 7 个分析级别 sintap 分为 4 章 第 1 章介绍了总的方法和规程 sintap 采用了失效评定图 fad 和裂纹推动力 cdf 的两类 分析方法 fad 的关键是失效评定曲线 f lr 只要评定点 lr kr 落在 fad 图内的安全区 则缺陷就是安全的 cdf 是 直接按 j1 处 取德国 etm 6 的成果 7 式中 n 为应变硬化指数 可按下式估算 这是根据 19 种材料数据整理得到的下边界值 实际的 n 值可能 为上式计算值的 1 至 5 倍 所以 lr 1 处的 f lr 是非常保守的 规定 lrmax 取值为 2 无屈服平台材料的失效评定曲线 也分三段表述 在 lr1 时为曲线 仍 采用式 7 计算 f lr 但 lr 1 时的 lr 1 值用式 lr 1 时的 lr 1 值用式 9 计算 并用式 8 估算 n 1 1 3 第 2 级 mismatch level 和第 1 级相似 使用条件是要能获得材料力学性能和断裂韧度 用于焊缝强度不匹配程度超过 10 的场合 这时它必需要知道 母材和焊缝两者的拉伸力学性能 因而分三种情况 分述如下 1 母材及焊缝两种材料均无屈服平台时 第一种情况 仍可应用第 1 级中的无屈服平台时的失效评定曲线三段表达式 但式 9 及式 8 中的 值和 n 值应改用不匹配时的值 m 和 m 不匹配焊缝接头的取 m 决于母材及焊缝的 值和 不匹配焊缝接头的塑性屈服载荷 fym 以及假设这一元件没有 焊缝完全是母材时的塑性屈服载荷 fyb 定义焊缝屈服强度与 母材屈服强度之比值 m 为强度不匹配因子 则 11 式中 12 13 不匹配焊接接头的 nm 可由式 14 求得 14 式中 15 16 17 2 焊缝及母材均具有屈服平台时 第二种情况 仍可应用第 1 级中有屈服平台时的失效评定曲线 也分三段 即式 3 4 7 但式 4 中的 应用 m 代替 式 7 中的 n 用 nm 代替 18 式中 19 20 截止线 lrmax 值仍按式 17 计算 3 焊缝或母材之一具有屈服平台时 第三种情况 在 lr1 处 按第二种情况一样的办法对待 1 1 4 第 3 级 stress strain level 这一方法要求可获得材料的关系曲线以求得 f lr 当然也需 要知道材料的断裂韧度值才能进行评定 第 3 级不仅能计算焊 缝基本匹配的情况 也可以用于不匹配焊缝的评定 在不涉及焊缝时或焊缝基本匹配时采用 r6 第 3 版的选择 2 曲线 即 23 式中 为在材料单向拉伸关系曲线上与相对应的应变值 在强度不匹配焊缝时也用式 23 但值的计算均应采用母材 与焊缝组成的含缺陷元件的当量关系曲线 它是根据塑性极限 载荷相等的原则求得的 当然和母材关系 焊缝的关系 不匹配 因子 m 及 fym 及 fyb 有关 的塑性部分 塑性应变的关系为 24 式中是指在设定的任一塑性应变量 p 时 当量关系曲线上 焊缝关系曲线上及母材关系曲线上的应力值 所以就是当量的 关系 因从而可得到当量材料的关系 应该指出的是这里的不 匹配因子 m 值并不是 1 1 3 节中的 m 值 而是在不同塑性应变 量 p 时的不匹配因子 m p 不是材料常数 与 p 的大小 有关 只有当两种材料关系形状完全相似时 m p 才有可能 是常数 25 并且式 24 中的 fym fyb 值也应该是在这些 m p 下的值 这时当量屈服应力当量流变应力及 lrmax 分别定义为 26 27 28 这里为两种材料流变应力相应的两个塑性应变中较低者的值 相应的流变应力计算的 fym 及值 1 1 5 第 4 级 constraint level 本级别的评定是根据裂尖拘束度的具体情况估算材料实际断裂 韧度来进行评定 按断裂韧度标准测试方法测试试件必需要有 足够尺寸以保证获得最低的平面应变断裂韧度值 而实际工程 元件缺陷往往是很浅的 只有较低的拘束度 显然如能按实际 拘束度的断裂韧度来进行评定可以降低评定的过保守度 但是 要求有附加的测试数据 这是在著名的 j q 理论基础上发展起来的一种方法 引入了无 因次拘束参量 以描述裂尖静水应力 q 或用平行裂纹的弹性 应力 t 作为来描述 参量 评定时 fad 及 kr 的计算均要作相 应的修正 由于篇幅有限 这里就不作进一步地介绍了 1 1 6 第 5 级 j integral analysis 要求已知材料应力应变关系曲线以计算 j 积分 可以是没有焊 缝的结构 也可以是不匹配焊缝 这时要求焊缝及母材的应力 应变关系都已知 实际上就是严格有限元计算解 实际上第 5 级只被用来作为验证各低级方法的工具 并不是适用于工程 评定的方法 严格的有限元计算 j 积分已为大家熟知 sintap 也没有作详细介绍 1 1 7 第 6 级 lbb 部分穿透的表面裂纹可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂纹 引起泄漏 但仍然可能处于稳定状态 这就是 lbb 状态 sintap 提供了一个新的估算裂纹扩展过程中缺陷形状变化的估 算方法 由于穿透前或穿透后裂纹会不会撕裂失稳的评定过程 和 r6 第 3 版相同 不过是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 因此这里也不再作详细介绍了 1 2 sintap 规程新发展的一些细节 sintap 第 2 章提供了评定所需输入数据及计算方法 第 3 章提 供了各级分析方法选择的导则和应力强度因子解 塑性极限载 荷解及残余应力分布等 第 4 章给出了一些其它评定方法和标 准方法的补充说明 值得一提的是 1 在缺乏材料详细的应力应变关系数据时 sintap 通过大量 钢材性能研究提供了材料应变硬化性能 屈强比及屈服平台 luders 应变 的估算方法 这些方法可用以改进式 9 的 f lr 以降低评定过保守度 2 在大量断裂韧度测试的统计处理后 近一步发展了 astme 1921 97 的所谓 master 曲线 sintap 提出了由 akv 估算铁素体 钢解理断裂区断裂韧度下限值的方法 这一方法也已被 r6 第 4 版及 bs7910 所采用 华东理工大学博士生秦江阳在 20 号钢韧 脆转变温度曲线的大量数据研究表明 akv 和启裂断裂韧度 ji 之 间不存在明确的简单的数学关系 刘长军在其博士论文中用该 收集到的实测材料数据考核美国短裂纹研究计划中由管材 akv 求 jic 下限值得推荐方法 也证明了 akv jic 的关系图上数据 十分分散 但鉴于实际工程评定中一般都不可能取样测得材料 的断裂韧度 下限值的估算还是很有实际意义的 但应该认识 到估算的断裂韧度值可能十分保守 有时甚至只有实际值的五 分之一左右 sintap 的方法值得我们进一步工作的关注 3 sintap 提供了一个无损检测技术可靠性导则 提出了在失 效模式为塑性极限载荷控制 而不是断裂控制 时的缺陷群相 互干涉效应的导则 3 sintap 提供了一个无损检测技术可靠性导则 提出了在失 效模式为塑性极限载荷控制 而不是断裂控制 时的缺陷群相 互干涉效应的导则 4 二次应力的处理中不仅采用了 r6 的新 因子法 同时还给 出了另一方法 二次应力的影响用 v 因子表示 即 29 v 因子可能是大于 1 也可能小于 1 进一步细节可参考 j strain anal 2000 35 307 16 6 增补了大量应力强度因子解 例如在一次和二次应力时简体 表面裂纹的应力强度因子解 提供了大量不匹配焊缝结构的极 限载荷解 7 sintap 给出了可靠性评定方法及其相应软件 prosintap 采 用 monte carlo 数学模拟及近似的一阶可靠性过程 approximate first order reliability routines 8 sintap 对所提出的方法作了大量的验证工作 本文介绍最近四年来国际上结构完整性评定技术的发展 主要 集中在近年来世界各国有关规范的发展与变化 作为 1992 年及 1997 年在第三届和第四届全国压力容器学术会议专题报告 压 力容器缺陷评定规程的发展趋势 1 及 压力容器及管道断裂评 定技术研究进展 2 的续篇 近年来国际上广泛地将缺陷评定及安全评定称之为完整性评定 或 合乎使用 评定 它不仅包括超标缺陷的安全评估 还包括 环境 介质与温度 的影响和材料退化的安全评估 鉴于我国 已经习惯称之为缺陷评定 且中文 缺陷 二字既可理解为 defect 也可理解为 drawback 本文在标题中仍然保留了 缺陷评定的术语 但不一定限制为一个有具体几何尺寸的缺陷 评定 按 合乎使用 原则建立的结构完整性技术及其相应的工 程安全评定规程 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 在评定规范和方法方面 英国的 r6 规范第 3 版 1986 3 和 pd 6493 1991 4 对我国压力容器安全评定规范 sapv 95 的建 立起过很重要的作用 瑞典缺陷评定规范 手册 5 的译文也 在我国广为流传 德国 ckss 研究中心 1991 年发表了 efam etm 的工程缺陷评定方法 6 法国在其 核电厂部件在役检验规则 rse m code 7 的第五章中给出了 缺陷评定方法 这些 国家的标准都有一个长期工作组织 不断予以更新 例如 1996 年瑞典又给出了 带裂纹构件安全评定规程 手册 sa fou report 的修订版 8 值得指出的是近年来欧美安全评定规范的发展有两件标志性的 大事 第一件是 1996 年欧洲委员会 european commission 为了建立一个统一的欧洲实施合于使用评定标准 发动组织了 一个研究计划 有 9 个国家的 17 个组织参加 于 1999 年完成 了 欧洲工业结构完整性评定方法 简称 sintap 9 已于 2000 年发表并已形成了一个未来欧洲统一标准的草稿 由于英 国 r6 pd 6493 德国的 ckss 及瑞典技术中心都是 sintap 研 究的核心成员 sintap 也是他们共同参与研究后形成的共识 鉴于 sintap 不久将要成为欧洲的统一标准 r6 及 bs pd 6493 在它即将颁布新版前夕 对它们各自的修改稿又作了一次紧急 修改 r6 于 2001 年颁布了他的全新版 第 4 版 10 pd 6493 于 2000 年颁布了他的修订版 但代号已改为 bs 7910 1999 11 取消了 pd 代号而正式列入正规的英国标准 第二件大事是美国石油学会于 2000 年颁布了针对在役石油化工 设备的合乎使用评定标准 api 579 12 在内容上具有鲜明特 色 反映了结构完整性评定技术研究范围有了很大的拓宽 鉴 于世界各国缺陷评定规范的迅速发展 international journal of pressure vessel and piping 期刊于 2000 年发表了一个专 刊 题名为 缺陷评定方法 13 介绍了国际上十个缺陷评定 规范的进展 其中也包括了我国八五攻关编制的 sapv 95 14 1 欧洲工业结构完整性评定方法 sintap 9 european comsertium 于三年前开始组织欧洲 9 个国家 17 个组 织研究 于 1999 年 4 月完成了 sintap 的编写 这将是欧洲统 一的合乎使用标准的初稿 应该引起国人的注意 1 1 sintap 第 1 章中缺陷评定的两类分析方法和 7 个分析级别 sintap 分为 4 章 第 1 章介绍了总的方法和规程 sintap 采用了失效评定图 fad 和裂纹推动力 cdf 的两类 分析方法 fad 的关键是失效评定曲线 f lr 只要评定点 lr kr 落在 fad 图内的安全区 则缺陷就是安全的 cdf 是 直接按 j1 处 取德国 etm 6 的成果 7 式中 n 为应变硬化指数 可按下式估算 这是根据 19 种材料数据整理得到的下边界值 实际的 n 值可能 为上式计算值的 1 至 5 倍 所以 lr 1 处的 f lr 是非常保守的 规定 lrmax 取值为 2 无屈服平台材料的失效评定曲线 也分三段表述 在 lr1 时为曲线 仍 采用式 7 计算 f lr 但 lr 1 时的 lr 1 值用式 lr 1 时的 lr 1 值用式 9 计算 并用式 8 估算 n 1 1 3 第 2 级 mismatch level 和第 1 级相似 使用条件是要能获得材料力学性能和断裂韧度 用于焊缝强度不匹配程度超过 10 的场合 这时它必需要知道 母材和焊缝两者的拉伸力学性能 因而分三种情况 分述如下 1 母材及焊缝两种材料均无屈服平台时 第一种情况 仍可应用第 1 级中的无屈服平台时的失效评定曲线三段表达式 但式 9 及式 8 中的 值和 n 值应改用不匹配时的值 m 和 m 不匹配焊缝接头的取 m 决于母材及焊缝的 值和 不匹配焊缝接头的塑性屈服载荷 fym 以及假设这一元件没有 焊缝完全是母材时的塑性屈服载荷 fyb 定义焊缝屈服强度与 母材屈服强度之比值 m 为强度不匹配因子 则 11 式中 12 13 不匹配焊接接头的 nm 可由式 14 求得 14 式中 15 16 17 2 焊缝及母材均具有屈服平台时 第二种情况 仍可应用第 1 级中有屈服平台时的失效评定曲线 也分三段 即式 3 4 7 但式 4 中的 应用 m 代替 式 7 中的 n 用 nm 代替 18 式中 19 20 截止线 lrmax 值仍按式 17 计算 3 焊缝或母材之一具有屈服平台时 第三种情况 在 lr1 处 按第二种情况一样的办法对待 1 1 4 第 3 级 stress strain level 这一方法要求可获得材料的关系曲线以求得 f lr 当然也需 要知道材料的断裂韧度值才能进行评定 第 3 级不仅能计算焊 缝基本匹配的情况 也可以用于不匹配焊缝的评定 在不涉及焊缝时或焊缝基本匹配时采用 r6 第 3 版的选择 2 曲线 即 23 式中 为在材料单向拉伸关系曲线上与相对应的应变值 在强度不匹配焊缝时也用式 23 但值的计算均应采用母材 与焊缝组成的含缺陷元件的当量关系曲线 它是根据塑性极限 载荷相等的原则求得的 当然和母材关系 焊缝的关系 不匹配 因子 m 及 fym 及 fyb 有关 的塑性部分 塑性应变的关系为 24 式中是指在设定的任一塑性应变量 p 时 当量关系曲线上 焊缝关系曲线上及母材关系曲线上的应力值 所以就是当量的 关系 因从而可得到当量材料的关系 应该指出的是这里的不 匹配因子 m 值并不是 1 1 3 节中的 m 值 而是在不同塑性应变 量 p 时的不匹配因子 m p 不是材料常数 与 p 的大小 有关 只有当两种材料关系形状完全相似时 m p 才有可能 是常数 25 并且式 24 中的 fym fyb 值也应该是在这些 m p 下的值 这时当量屈服应力当量流变应力及 lrmax 分别定义为 26 27 28 这里为两种材料流变应力相应的两个塑性应变中较低者的值 相应的流变应力计算的 fym 及值 1 1 5 第 4 级 constraint level 本级别的评定是根据裂尖拘束度的具体情况估算材料实际断裂 韧度来进行评定 按断裂韧度标准测试方法测试试件必需要有 足够尺寸以保证获得最低的平面应变断裂韧度值 而实际工程 元件缺陷往往是很浅的 只有较低的拘束度 显然如能按实际 拘束度的断裂韧度来进行评定可以降低评定的过保守度 但是 要求有附加的测试数据 这是在著名的 j q 理论基础上发展起来的一种方法 引入了无 因次拘束参量 以描述裂尖静水应力 q 或用平行裂纹的弹性 应力 t 作为来描述 参量 评定时 fad 及 kr 的计算均要作相 应的修正 由于篇幅有限 这里就不作进一步地介绍了 1 1 6 第 5 级 j integral analysis 要求已知材料应力应变关系曲线以计算 j 积分 可以是没有焊 缝的结构 也可以是不匹配焊缝 这时要求焊缝及母材的应力 应变关系都已知 实际上就是严格有限元计算解 实际上第 5 级只被用来作为验证各低级方法的工具 并不是适用于工程 评定的方法 严格的有限元计算 j 积分已为大家熟知 sintap 也没有作详细介绍 1 1 7 第 6 级 lbb 部分穿透的表面裂纹可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂纹 引起泄漏 但仍然可能处于稳定状态 这就是 lbb 状态 sintap 提供了一个新的估算裂纹扩展过程中缺陷形状变化的估 算方法 由于穿透前或穿透后裂纹会不会撕裂失稳的评定过程 和 r6 第 3 版相同 不过是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 因此这里也不再作详细介绍了 1 2 sintap 规程新发展的一些细节 sintap 第 2 章提供了评定所需输入数据及计算方法 第 3 章提 供了各级分析方法选择的导则和应力强度因子解 塑性极限载 荷解及残余应力分布等