关于带缺陷压力容器安全评定的探讨

1、关于带缺陷压力容器安全评定的探讨    0   引言在压力容器设计和制造等规范中,都规定了压力容器制造完毕和检修之后必须进行压力试验。一般认为通过压力试验可以检验容器的宏观强度,检验密封结构的可靠性和焊缝的致密性。随着断裂力学在压力容器中的应用,试验表明:预加过载可以使残余应力峰值区产生局部屈服,经过应力的再分配使得应力峰值减小；另外,适宜的预加过载也可使裂纹尖端钝化。试验还表明:在交变载荷作用下的容器,施加了一个过载荷后,其裂纹扩展速率将迅速下降,甚至可以下降到“da /dN = 0”1 。文中认为压力试验就是一个预加过载过程。即压

2、力试验还有消除或降低残余应力和使裂纹钝化、降低裂纹扩展速率的作用。因此,可以通过压力试验对带缺陷压力容器进行安全评定。1  球罐寿命判定1. 1 球罐技术特性（1） 原始数据内径Di = 7 400 mm,壁厚S = 22 mm,焊缝系数=0.9,设计压力P为0.8 MPa,最大工作压力pmax =0.7MPa,最小工作压力pmin = 013 MPa,循环压力幅p = 0.4MPa；工作循环次数为3 000次/年,工作介质为干燥空气,工作温度为常温；罐体材料为Q235 - B钢,屈服强度y = 235MPa,弹性模量E = 2 ×105 MPa, = 124MPa.（2）

3、水压试验压力的确定根据文献2 ,水压试验压力为pT = 1.25p1 · / t = 1.5MPa (1)式中: p1 = 4 ·(S - C) /D = 1.2MPa；其余符号与文献2相同。水压试验应力校核公式为T = pT ·Di + (S - C) / 4·(S - C) 0. 9y2(2)将pT = 1.5 MPa, Di = 7 400 mm,=0.9,壁厚S根据开罐测量为2021 mm,取S - C = 20 mm,代入式(2)得:T = 1.5 ×7 420 / (4 ×20) = 139.125MPa < 0.9

4、·y= 190MPa.T 满足强度要求。1. 2 寿命估算数据的确定（1） 工况的限定根据实际工作需要及安全使用的可能性,确定该批罐工况如下:p = 0.2 MPa时,每年波动次数N 2 700；p =0.4MPa时,每年波动次数N 300次。（2） 疲劳裂纹初始尺寸和终止尺寸根据文献3 ,按穿透裂纹扩展公式:CN =C0 / 1 - A ·(ke ) n ·N /C0 可以导出循环次数:N = (CN - C0 ) ·C0 / CN ·A (ke ) n (3)式中: C0 为初始裂纹半长； CN 为经N 次循环后的裂纹半长。在试验压力pT

5、= 1.5MPa条件下算出的临界裂纹尺寸,可作为初始裂纹半长C0 (若压力试验合格,球罐上实际存在的裂纹尺寸肯定小于C0 ) 。在最大工作压力pmax2 = 0.7MPa和Pmax1 = 0.5 MPa条件下算出的临界裂纹尺寸,可作为疲劳裂纹终止尺寸CN . 由此确定的计算尺寸,将使估算偏于安全。文中利用Klc和COD两种判据进行裂纹尺寸计算。（3）断裂参数的估取该批球罐材料为Q235 - B钢,其断裂参数的测量比较困难。考虑到球罐的安全,根据16MnR材料和低碳钢的数据,估取: K因子理论的断裂韧性值K1c =4 3715 880 N /mm1.5 ； COD理论的断裂韧性值C =0.110

6、.15 mm.（4）应力状态估计拉应力为1 = Kt ·m式中:m 为罐体膜应力,m = p·D / ( 4S ) ； Kt 为应力集中系数。由文献3得, Kt = 1 + 3 (W + h) / t + 0.5 = 3mm；W 为角变形, W = 5 mm； h 为错边量, h = 5 mm；t为壁厚, t = 20 mm. D为罐体中间面值径, D =Di + S.取弯曲应力2 = 0, 焊接残余应力33 估取的理由是:这批罐经近30年的使用,起到一定的时效作用；使用期间压力经常处于波动中(约有8 ×104 次) ,对残余应力有扩散作用。1. 3 

7、计算过程（1）采用K1c的断裂判据按下述4种状态估算安全使用寿命范围。  K1c = 4 371 N /mm1.5 ,3 = 0.2y 时裂纹初始尺寸C0。按试验压力为1.5 MPa时,由球罐达到断裂条件, K1 =K1c ,求得初始裂纹当量尺寸: C0 = K1c / (M ·) 2 /3.14 = 28.2 mm (4)式中:M 为鼓胀效应,为简化计算且偏于安全(N 与M2成正比) ,取M = 1； K1c = 4 371 N /mm1.5 ； =1 +2 +3 = 46414MPa； K1 为I型裂纹应力强度因子。裂纹终止尺寸CN分别按最大工作压力pmax1

8、 = 015 MPa和Pmax2 =017MPa状态下,球罐达到断裂条件( K1 = K1c )求裂纹终止尺寸CN .Pmax1 = 0.5 MPa 时, = Kt · Pmax1 ·D / ( 4S ) +0.2y = 183.4MPa,则CN1 = 181 mm；Pmax2 = 0.7 MPa 时, = Kt · Pmax2 ·D / ( 4S ) +0.2y = 237.8MPa, CN2 = 107.6 mm.寿命估算按式(3)计算循环次数:N = (CN - C0 ) ·C0 / CN ·A · (ke ) n 根

9、据文献 3 , 取A = 117 ×10- 15 , n = 4,ke =(1 + 015b ) ·(3114C0 ) 015。式中:b = 0；1 =1max -1min.p = 012MPa时,计算如下:1max = Kt ·Pmax ·D / ( 4S ) = 3 ×0.5 ×7 420 / ( 4 ×20) = 139.1 MPa； 1min = 3 ×0.3 ×7 420 /80 = 83.5MPa,1 = 139.1 83.5 = 5516MPa.则ke = 55.6 × ( 3.1

10、4 ×28.2 ) 0.5 = 523.2N /mm1.5 , CN1 = 181 mm.N1 = ( 181 28.2) ×28.2 / ( 181 ×117 ×10- 15 ×523.24 ) = 186 884.8次取安全系数为20, 许用循环次数为N = N1 /20 = 934 4次,按工作循环次数为2 700次/年计算,可安全使用Y1 = 3.46年。p = 0.4MPa时,计算如下:1max = 3 ×0.7 ×7 420 /80 = 194.8MPa1min = 81.8MPa,1 = 113MPa, CN2

11、 = 107.6 mmke = 113 ×(31.4 ×28.2) 0.5 = 1 063.3 N /mm1.5N2 = ( 107.5 28.2) ×28.2 / ( 107.5 ×1.7 ×10- 15 ×1 063.34 ) = 9 576次 N = 9 576 /20 = 47818次由工作循环次数为300次/年计算可知,可安全使用年限为Y2 = 1.596年。按线性累积损伤准则,在p = 0.2MPa (2 700次/年)和p = 0.4MPa (300次/年)条件下的安全使用寿命为Y = Y1 ·Y2

12、/ ( Y1 + Y2 ) = 3.46 ×1.596 / ( 3.46 +1.596) = 1.09年  K1c = 4 371 N /mm1.5 ,3 = 0时按上述方法计算,得Y = 1.06年。  k1c = 5 880 N /mm1.5 ,3 = 0.2y 时计算得,安全使用寿命Y = 0.7年。  K1c = 5 880 N /mm1.5 ,3 = 0时计算得,安全使用寿命Y = 0.6年。（2）采用COD断裂判据  取C = 0111 mm,3 = 012y.裂纹初始尺寸C0 的确定试验压力为1.5MPa,由前面计算可知: = 4

13、64.4MPa,而y = 235 MPa. 取E = 2 ×105 MPa,则e =/E,ey =y /E. 根据文献3:e / ey > 1时,采用文献33中式(14a)得:CN1 =C / 2 ×3.14ey · ( e / ey ) 23中式(14b)得:CN2 = 1418 mm寿命估算由前面计算可知,按p = 0.2MPa,计算得1 =55.6MPa.ke =1 · (3.14C0 ) 0.5 = 311.56 N /mm1.5按式(3)得,循环次数N1 = 369 476次则N = N1 /20 = 18 473.8 次,按工作循环数为

14、2 700次/年计,可安全使用Y1 = 6.84年。按p = 0.4MPa,得1 = 109MPa则ke = 109 ×(3.14 ×10) 0.5 = 610.8 N /mm1.5由此得: N2 = 13 706.7 次。则N = 685.3 次。按工作循环数为300次/年计算,可用Y2 = 2.28年。同理可得:Y = Y1 · Y2 / ( Y1 + Y2 ) = 6.84 ×2.28 / ( 6.84 +2.28) = 1.71年。  C 和3 取其他3组值时的Y值按C = 0.15 mm,3 = 0.2y ,得Y = 1.3年；按C=

15、 0.11 mm,3 = 0,得Y = 2.4 年；按C = 0.15 mm,3 = 0,得Y = 1.7年。2  判定结论综合上面计算结果,按K因子判据,该球罐可安全使用0.61.09年；按COD判据,该球罐可安全使用1.32.4年。在运行7个月时,应停止运行,对典型裂纹进行复查,并根据复查情况作出终止或继续运行的判断。环境温度低于- 20 时,不允许工作压力波动,以防止低应力疲劳断裂。3  结束语采用压力试验方法评定压力容器的安全性,是一种经济、简单而可靠的方法,它可用在带缺陷、介质腐蚀轻微的薄壁容器的安全评定中,此法有两个关键问题需要注意。(1)确定一个适宜的试验压力值。如果试验压力值过高,会使裂纹迅速扩展以至使容器在试验