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缺陷压力管道安全评定方法瞄’】也千差万别 归纳起来主要有以下

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-08-04

  缺陷压力管道安全评定方法瞄’】也千差万别 归纳起来主要有以下几种 净截面塑性失稳准则、局部减薄缺陷的塑性失效评定方法、简化因子评定方法、失效评定图 方法、 压力管道缺陷评定方法、中低压管道焊缝单面未焊透缺陷的安全评定方法下面分别评述。 净截面塑性失稳准则净截面塑性失稳准则又称净截面垮塌准则 最早由美

  缺陷压力管道安全评定方法瞄’】也千差万别 归纳起来主要有以下几种 净截面塑性失稳准则、局部减薄缺陷的塑性失效评定方法、简化因子评定方法、失效评定图 方法、 压力管道缺陷评定方法、中低压管道焊缝单面未焊透缺陷的安全评定方法下面分别评述。 净截面塑性失稳准则净截面塑性失稳准则又称净截面垮塌准则 最早由美国 等人于 年提出的 该准则认为 当管道发生大的塑性变形时 管道净截面上的应力均匀分布 当这一均布的净截面应力达到并等于材料的流变应力时 管道达到塑性极限状态 对应的外载荷为塑性极限载荷。塑性极限载荷为 目为管子所含裂纹的半周角为由于裂纹的存在使管子截面的抗弯中性轴偏移的角度 为管道承受的载荷。肜 基于准则的周向未焊透缺陷压力管道极限状态力学模型 基于准则给出了部分缺陷结构的周向裂纹管的塑性极限载荷。值得一提的是 使用净截面失效准则预测含缺陷的压力管道失效弯矩时 需知道管道的尺寸、缺陷的几何与大小、所受的内压及材料 的流变应力。对于未焊透缺陷的管道的失效载荷 试验表明【 其材料的流变应力通常由母材的强度性能来决定取母材屈服极限与强度极限的平均值 屈服强度吒为断裂强度 规范 艟性失稳分析中就是采用这一种方法。大量的研究表明在大多数条件下 基于 准则的周向含缺陷管塑性极限载荷能够合理保守地预测含缺陷管的极限承载能力。因而这一准则曾一度受到普遍重视 并成为各主要缺陷评定规范中含缺陷压力管道极限载荷计算的主要方法。另外 在“八五”国家重点科技攻关课题《在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究》 王威强等【 】做了未焊透未熔合的断裂和在安全评定中的工程处理方法的子专题研究 研究结果表明 对于较浅的管道未焊透缺陷 净截面垮塌准则是一种极好的判定失效的方法。 局部减薄缺陷的塑性失效评定方法 局部减薄缺陷的塑性失效评定方法适用于压力管道直管段上的局部减薄 缺陷 和钝端宽间隙未焊透缺陷、管道主要承受弯矩和内压载荷的联合作用且材料具有良好延性。评定采用的安全判据为 工作内压 与仅有内压载荷的该局部减薄区管道的塑性极限压力计算值吃之比的平方 与工作弯矩 与仅有弯矩载荷时该局部减薄区的塑性极限弯矩计算值 丛之比的平方之和 不得大于 。否则不能保证安全 若该直管段不存在该缺陷时定义 为流变应力可保守地取材料的屈服应力 中的系数岱及所船根据缺陷的尺寸来确定。如果未焊透缺陷在管道周向长度占周长的分率为 、缺陷在管轴向的长度与 丁之比为 、缺陷深度与壁厚之 比为 ’国家质检总局锅检中心陈钢、贾国栋等【根据清华大学提供的极限载荷有限元分析软件计算了不同管道尺寸和局部减薄尺寸的极限载荷计算实例 对这些数据进行了归纳整理后得出如下结论无论含缺陷压力管道处在受纯拉伸、纯弯曲还是拉弯组合载荷条件下 都具有较高的精度能满足工程需要。 简化因子评定方法对非断裂力学专家 尤其是普通工程技术人员进行缺陷评定时使用专业性很强的裂纹驱动力图法、 积分撕裂模量法、 积分估算法等方法具有一定的难度。尤其是对价格相对便宣的管道 采用过于复杂的评定方法意义不大 因而一些研究工作者发展了弹塑性断裂分析简化因子计算方法。应力乘子法是目前较为成熟的简化因子方法。应力乘子的定义为 应力乘子 塑性极限载荷 断裂载荷当应力乘子 说明结构为塑性极限载荷控制失效模式。此时只要控制结构所受外载小于其塑性极限载荷时即认为结构是安全的。当应力乘子 说明结构为断裂控制失效模式。由于己知应力乘子只要以载荷乘以应力乘子作为评定载荷 即可以用塑性极限载荷方法评定。断裂力学专家已经计算出这些应力乘子 并编入手册和规范中。目前已发展的应力乘子方法有 因子法【 本章以因子为代表进行说明。后面章节将对 因子作详细说明。 因子法是目前发展最为成熟且最具有影响力的简化因子评定方法 其定义为 塑性极限载荷 韧性撕裂失稳扩展载荷。 锅炉压力容器规范第 卷《核动力装置在役检查规则》中的 及附录 “奥氏体管道缺陷验收准则及评定规程 及附录“铁素体管道缺陷验收准则及评定规程”【 】中以穿透裂纹为研究对象 并根据核管道材料评定中有限的特点 按特定的核管道材料和条件 根据 积分撕裂模量法 计算并简化后给出了两种形式的一 因子应力乘子 表达式 分别是碳钢管道与材料相关的 因子和通用 因子。 碳钢管道与材料相关的 因子。对铁素体管道母材及焊缝的弹塑性断裂评定时 若已知材料的断裂韧度 。。、流变应力盯 和屈服强度盯 可以采用与材料相关的因子表达式 ’是与材料断裂韧度。。相关的系数 的函数为公称直径 式中单位为英制单位。表卜 规范中与材料相关的 因子计算式中的 通用因子当评定时不知道管道的有关参数时 对常用的核管道材料 规范给出了推荐的材料性能表和简化的通用 因子计算式 类铁素体母材及焊缝指的是最小屈服强度盯。的无缝或以 焊条焊接的铁素体钢管道。类铁素体母材及焊缝指的是抗拉强度正 的所有气体保护焊和埋弧铁素体钢管道。奥氏体钢氩弧焊焊缝 奥氏体钢埋弧焊焊缝失效评定图 方法失效评定图的概念最早是由英国前中央电力局 提出来的。 年提出一个“带缺陷结构的完整性评定标准 以下简称 从此就产生了失效评定图技术。一一用失效评定图技术对含未焊透缺陷压力管道进行评定时 其方法如同对其它缺陷结构进行评定时的方法一样 只要计算缺陷处的评定点 然后把评定点标绘在相应的失效评定图中如果评定点处于失效评定曲线的下侧 安全区 则所评定的管道缺陷为可以接受的 如果评定点处于失效评定曲线的上侧 失效区 则所评定的管道缺陷将失效。图 为失效评定分析示意图 为评定点 为起裂点 为重新加载后的评定点 为失稳扩展开始点。图 失效评定分析示意图早期的失效评定图技术是以 裂纹张开量 为论依据的 积分是一个定义明确、理论严密的应力应变场参量它还具有与积分路径无关的特点 故可避开裂纹尖端处极其复杂的应力应变场。所以以 理论为理论依据的失效评定图逐渐被以 积分理论为依据的失效评定图所代替。以 积分理论为依据的失效评定图主要有 的失效评定图、 失效评定图以及规程失效评定图等 这些失效评定图在管道缺陷评定中应用的很广 本章主要介绍 的失效评定图 规程失效评定图在后面章节做详细介绍。美国电力研究院在研究弹塑性断裂理论时 也研究了 失效评定图技术在此基础上 使用 积分控制裂纹扩展的概念和 积分的工程估算 推导出以 积分理论为基础的失效评定副 】。其失效评定曲线方程为 失效评定图是以积分为依据 合理的考虑了裂纹体的几何形状、加载形式以及材料的应变硬化特性 的评定曲线要先进的多。但必须注意的是以积分为依据的失效评定图只对真应力真应变符合 关系的材料。对于不符合关系的材料 手册附录 给出了分段幂次法则 对真应力真应变不符合 关系的材料进行分段拟合 使每段真应力真应变都符合 关系再用相同方法进行 积分的计算。 及附录压力管道缺陷评定方法【 锅炉压力容器规范第 卷给出了两个针对核管道的缺陷评定规程 及附录 “奥氏体管道缺陷验收准则及评定规程”和 及附录 “铁素体管道缺陷验收准则用评定规程”。这两个规程考虑了压力管道的各种失效模式 分别以线弹性断裂力学 、弹塑性断裂力学 和塑性极限载荷 的计算方法为依据进行缺陷评定。规程以表格的形式给出了在塑性失效的极限载荷下的允许周向未焊透缺陷相对深度 值如表卜 进行未焊透缺陷压力管道安全评定的评定步骤如下根据缺陷及管道尺寸、材料性能和外载大小按规范给出的公式计算墨值 计算 值前先要得出评定点 坐标 根据图判别出管道潜在的失效模式。当墨 塑性破坏 失稳 失效模式当 弹塑性断裂失效模式 脆性断裂失效模式图面型缺陷压力管道三种潜在的失效模式 计算应力比应力比为警 盯。为薄膜应力 吼弯曲应力 】为许用应力 如果是塑性破坏失稳 失效模式 以应力比值和管道缺陷长度与管道周长的比值 为参量查表卜 确定允许的最大缺陷相对深度 用实际的未焊透缺陷相对深度与允许的最大缺陷深度进行比较得出评定结果 如果是脆性断裂失效 则直接采用应力强度因子法 为缺陷的应力强度因子 材料的断裂韧性 即可 如果是弹塑性断裂失效 可先计算相应的应力比 然后将此应力比乘以应力修正因子 因子 其它的跟塑性破坏失效评定方法一样。表卜 根据极限确定的允许周向缺陷相对深度 值应力比缺陷长度与管子周长比 李思源关于“中、低压管道焊缝单面未焊透缺陷的安全评定”方法【 】李思源根据英国 “含缺陷结构完整性的评定标准” 利用钢管材料的基本数据和管道许用应力的估算式 综合考虑管道承受的各种应力来计算合成应力 将内表面未焊透缺陷简化为内表面裂纹 应用该标准中的选择 评定曲线和第 类分析方法 在偏保守的系数下 导出了碳素钢、 中低压管道环缝未焊透缺陷深度的允许尺寸操作温度操作温度 钢种在设计条件下在设计条件下 在设计条件下 采用焊缝质量等级的评定方法【】国家标准把焊缝质量分为四个级别 每个级别对未焊透缺陷都有一一尺寸要求。在对压力管道作焊接工艺设计时 对焊缝质量级别都有规定 若实际焊接过程中出现了未焊透缺陷尺寸超标现象 则为不符合使用要求 必须按有关规定返工或判废。 《钢管环缝熔化焊对接接头射线透照工艺和质量分级》中对外径大于 的钢管 不同的焊缝质量级别对未焊透缺陷尺寸要求见表 对于外径小于和等于 的钢管 不同的焊缝质量级别对未焊透缺陷尺寸要求见表 中相应焊缝质量级别对未焊透缺陷尺寸要求外径大于 为断续未焊透中最长者 为管壁厚度 质量未焊透的深度未焊透总长级别占壁厚百分比 极限深度连续未焊透长度断续未焊透长度 不大于间距小于 焊透长度间距等于大于 不大于在任何 焊缝长度内不大于 不大于间距小于 焊透长度间距等于大于 不大于。在任何 焊缝长度内不大于 大于 中相应焊缝质量级别对未焊透缺陷尺寸要求外径小于和等于 质量未焊透深度连续或断续总长占焊级别占壁厚的百分比 极限深度 缝周长的百分比 大于 对相应焊缝质量级别的未焊透缺陷尺寸要求不加垫单面焊允许值 焊不允许不允许缺陷总长在 万焊缝长度内缝内缺陷总长 。不超过万。 存在的问题和本论文的研究内容 存在的问题对未焊透缺陷压力管道的安全评定目前可以借用的方法不少 在工程上也得到一定的应用 且各具特色。但这些方法都不是直接以未焊透缺陷作为研究对象得出的 存在不少问题 归纳起来有 虽然目前能适用于未焊透缺陷压力管道安全评定的方法很多 但没有人就这些工程方法对未焊透缺陷评定的适用性作一个系统的横向比较。另外 这些工程评定方法的评定精度如何也有待研究。 由于未焊透属焊接缺陷 而焊接接头又是以母材和焊缝材料组成 材料性能和缺陷构型比较复杂。在评定方法中充分考虑未焊透缺陷的材料性能和缺陷构型是值得深入研究的问题 而现在这方面的研究成果比较少 即使有相关的成果被运用于未焊透缺陷压力管道安全评定 但也因为评定过程复杂而不被推广。 目前适用于未焊透缺陷压力管道的安全评定方法是以早期的理论和实践为基础而得出的 而现在的断裂力学理论在不断发展 评定方法也在不断改进 但一些未焊透缺陷压力管道的安全评定方法并没有作相应的调整和改进 却是停滞不前 急需升级以适应目前的需要。 鉴于管道未焊透缺陷的普遍性和工业管道的特殊性 迫切需要建立一个考虑未焊透缺陷构型和材料性能的安全、简便和实用的工程评定方法 以解决工程实际应用问题。 本论文的研究内容鉴于未焊透缺陷压力管道数量多和管道成本相对廉价的特点 评定过程复杂且成本高的评定方法不是本文所要考虑的 而过程简单且成本较低的方法是本文的研究重点 从含缺陷压力管道安全评定方法及其发展趋势来看 大多数方法都直接或间接采用了失效评定图 方法和简化因子近似方法。但是在利用失效评定图技术时 针对每一种材料的未焊透缺陷压力管道建立一条专门失效评定曲线太耗时耗力 成本太高 而且没有必要。通用失效评定曲线正好克服了这个不足 它只需要一条或几条失效评定曲线就可以对所有材料的未焊透缺陷压力管道进行安全评定。为此 本课题的研究内容就是如何在现有失效评定图技术的基础上 考虑未焊透缺陷的缺陷构型和材料性能 建立适合压力管道未焊透缺陷的安全评定工程方法。具体的研究内容如下 分析比较国内外各种适用于未焊透缺陷压力管道安全评定工程方法 并弄清它们的基本原理、适用条件和范围。为建立更合理的未焊透缺陷压力管道安全评定工程方 法做准备。 第一章 鉴于失效评定图方法简便又不失安全的特性 着重研究失效评定图方法 分析比较各种失效评定曲线对未焊透缺陷压力管道安全评定时的优点与不足 推荐出一种最佳的失效评定曲线作为未焊透缺陷压力管道安全评定的首选曲线 并为本文后面的研究做理论捕垫。 第二章 给出在利用失效评定图技术对未焊透缺陷压力管道进行安全评定时的弹塑性断裂参量 积分和塑性屈服载荷只的计算公式以及缺陷评定点 参量和 参量的工程计算方法。 第三章 充分吸收国内外最新失效评定图技术的研究成果 在原通用失效评定曲线族的基础上进行改进 得出本文的通用失效评定曲线族方法。 第四章 深入探讨简化因子 因子 评定方法的原理 找到一种更安全的适用于含未焊透缺陷压力管道安全评定的简化因子方法 并采用公开发表的未焊透缺陷数据对简化因子方法的适用性进行考核验证。 第五章

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