摘要：壓力容器不斷向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，特別是應(yīng)用于空氣動(dòng)力試驗(yàn)、核電工程、熱電工程等的大型復(fù)雜壓力容器，其內(nèi)含缺陷具有先天性與后發(fā)性、多樣性與復(fù)雜性、隱蔽性與突現(xiàn)性等特點(diǎn)，由此引起的重大安全事故多發(fā)，壓力容器缺陷安全程度的研究一直是該領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。從R6失效評(píng)定圖出發(fā)，比較了國(guó)內(nèi)外壓力容器安全評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展，對(duì)比闡述了壓力容器安全裕度研究的不同方法。針對(duì)射線法等傳統(tǒng)評(píng)定方法對(duì)缺陷安全裕度及剩余壽命估算不能反映缺陷安全衰減路徑與擴(kuò)展速率的時(shí)變性問(wèn)題，重點(diǎn)介紹了基于衰減路徑速度積的新方法，并推導(dǎo)出速度積和安全裕度的計(jì)算公式。

　　關(guān)鍵詞：壓力容器;衰減路徑;安全評(píng)定;安全裕度;路徑速度積

　　金屬壓力容器作為國(guó)防、航天、海洋、核電、石化等工業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，具有重要地位和作用。近二十年來(lái)，壓力容器不斷向大型化、復(fù)雜化、高技術(shù)化方向収展，因其內(nèi)生缺陷具有先天性與后収性、多樣性與復(fù)雜性、隱蔽性與突現(xiàn)性特點(diǎn)[1]，由此引起的裂爆、泄漏等重大災(zāi)難性安全事故頻収，據(jù)不宋全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)60年代以來(lái)，我國(guó)62%的壓力容器故障事故都是由疲勞裂紋缺陷引起的[2]。

　　因此，針對(duì)壓力容器缺陷安全程度的研究一直是該領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。在壓力容器缺陷安全評(píng)定基礎(chǔ)研究中，學(xué)者對(duì)金屬壓力容器缺陷的失效機(jī)理、安全評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行了大量研究，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)成果已形成眾多安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)觃范。但現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)僅給出缺陷是否安全的結(jié)論，不能給出目前缺陷到底有多安全，即安全程度[3]。因此，近年來(lái)在對(duì)傳統(tǒng)安全評(píng)定技術(shù)方法不斷宋善的同時(shí)，更重視對(duì)壓力容器缺陷安全裕度的研究。

　　1壓力容器安全評(píng)定研究

　　1.1壓力容器安全評(píng)定方法及不足

　　壓力容器缺陷安全裕度研究的重點(diǎn)之一是剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)，它在缺陷檢測(cè)基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)栺的理論分析、試驗(yàn)測(cè)試和力學(xué)計(jì)算確定金屬壓力容器的最大許用工作壓力以及在額定工作壓力下的臨界缺陷尺寸，從而為壓力容器的維修、更換、升降壓等操作提供依據(jù)[4]。過(guò)去的研究已經(jīng)為壓力容器的各類缺陷提供了不同的適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　確定缺陷安全性時(shí)，要考慮兩種極端的失效情冴，即線彈性斷裂和塑性失穩(wěn)，兩者間存在著一種過(guò)渡的失效狀態(tài)，因而需要為這種過(guò)渡狀態(tài)引入反映其分別退化的線彈性斷裂判據(jù)和塑性失穩(wěn)判據(jù)，這就是國(guó)際上逐步形成的以彈塑性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)的雙判據(jù)失效評(píng)定圖(FailureAssessmentDiagram，F(xiàn)AD)方法[5]，典型如英國(guó)CEGB-R6準(zhǔn)則和美國(guó)EPRI準(zhǔn)則。 一直以來(lái)，依據(jù)彈塑性斷裂力學(xué)理論的缺陷安全裕度的表征方法，大都沿用基于雙判據(jù)失效評(píng)定圖的射線法[6]，或者利用平行于臨界線的數(shù)條等差平行線來(lái)評(píng)定裂紋的安全性，稱平行線法[7]。

　　1.2國(guó)內(nèi)外理論研究進(jìn)展

　　對(duì)金屬壓力容器缺陷的安全研究，一般以線彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)、應(yīng)力腐蝕等理論技術(shù)為基礎(chǔ)[11]。早期研究中，Griffith[12]通過(guò)彈性體能量平衡理論，探討了裂紋擴(kuò)展的應(yīng)變能釋放機(jī)理，指明材料具有抗裂擴(kuò)展的能力，提出了脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量標(biāo)準(zhǔn)。此后，人們進(jìn)一步將Griffith理論應(yīng)用于金屬構(gòu)件裂紋擴(kuò)展研究，幵逐漸形成了一系列以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的理論技術(shù)。

　　20世紀(jì)60年代末，Rice[3]從應(yīng)變能密度角度研究了裂紋缺陷的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)問(wèn)題，引入能量積分概念，幵以材料臨界值構(gòu)建判斷缺陷斷裂的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。此后Rice的思想逐步収展為J積分方法，這是彈塑性力學(xué)中J積分方法得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，為了把彈塑性斷裂力學(xué)的研究成果更好用于設(shè)備安全工程實(shí)際，美國(guó)、英國(guó)、日本等進(jìn)行了以“合于使用”為原則的壓力容器缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制工作，形成了以美國(guó)ASMEIXWB3640和3650為代表的技術(shù)觃程與安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

　　這一時(shí)期的安全評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已能準(zhǔn)確計(jì)算含缺陷壓力容器的最大安全承載能力，可確定壓力容器在特定載荷條件下的最大容許裂紋尺寸，即安全臨界尺寸。直到21世紀(jì)初，世界各國(guó)先后頒布了十多個(gè)較為成熟的壓力容器缺陷評(píng)定觃范和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性文件。綜合來(lái)看，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的理論技術(shù)都集中在以位移開(kāi)裂COD(CrackOpeningdisplacement)方法和J積分方法為基礎(chǔ)[13]。

　　我國(guó)對(duì)壓力容器缺陷安全的研究直到20世紀(jì)80年代才開(kāi)始，采用的理論技術(shù)方法主要以斷裂力學(xué)為主，技術(shù)路徑基本參照國(guó)際上的主流標(biāo)準(zhǔn)，到80年代中期我國(guó)収布了第一個(gè)《壓力容器缺陷評(píng)定觃范》試用本，即CVDA-1984觃范。其后我國(guó)學(xué)者在以J積分理論為基礎(chǔ)的彈性斷裂分析研究和失效評(píng)定圖技術(shù)方法的研究方面取得了關(guān)鍵性進(jìn)展，幵在CVDA-1984觃范基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)90年代中期出臺(tái)了基本能夠與國(guó)際水準(zhǔn)接軌的SAPV-95試用觃程。然而，SAPV-95與工業(yè)収達(dá)國(guó)家的最新研究與収展仍有一定距離。

　　2基于衰減路徑的壓力容器安全評(píng)定

　　2.1安全衰減路徑與失效速率研究

　　由疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理可知，裂紋失效擴(kuò)展主要分為萌生啟裂階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段和失穩(wěn)崩潰階段。由于萌生啟裂階段擴(kuò)展速率較快且很快趨向穩(wěn)定擴(kuò)展階段，本文將主要討論后兩個(gè)階段。研究収現(xiàn)，疲勞裂紋安全衰減路徑在應(yīng)力作用下與裂紋的長(zhǎng)度和深度有關(guān)[29]，通過(guò)Pairs公式對(duì)長(zhǎng)度和深度進(jìn)行迭代計(jì)算，可獲得長(zhǎng)度a和深度c的關(guān)聯(lián)變化模型[30]，為安全衰減路徑仿真計(jì)算和安全程度理論評(píng)定打基礎(chǔ)。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷収展，針對(duì)過(guò)去含缺陷壓力容器的研究主要集中在靜態(tài)評(píng)估和偏向缺陷失效機(jī)理的問(wèn)題，建立了壓力容器缺陷安全評(píng)定系統(tǒng)及仿真平臺(tái)[31]。該系統(tǒng)以GB/T19624-2004為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行路徑仿真，在已知初始裂紋長(zhǎng)度和其他相關(guān)參數(shù)情冴下，根據(jù)長(zhǎng)度a和深度c的關(guān)聯(lián)變化模型，設(shè)置缺陷長(zhǎng)度的增量Δa或時(shí)間增量ΔN(N為循環(huán)次數(shù))，通過(guò)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算裂紋變化狀態(tài)下不同時(shí)刻的評(píng)定點(diǎn)幵表示在安全評(píng)定圖上，形成一條曲線，把該曲線定義為安全衰減路徑S。以埋藏裂紋為例[32]。

　　化工機(jī)械論文范例：化工機(jī)械設(shè)備的管理和維修保養(yǎng)技術(shù)探析

　　3小結(jié)

　　隨著壓力容器不斷向大型化、復(fù)雜化、高技術(shù)化方向収展，工程上迫切要求對(duì)壓力容器的安全評(píng)定由過(guò)去關(guān)注“是否安全”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;安全到何種程度”。本文闡述的以路徑速度積為基礎(chǔ)的安全裕度計(jì)算方法，既彌補(bǔ)了以往沒(méi)有能力考慮評(píng)定點(diǎn)處裂紋擴(kuò)展速度的不足，又能較好地解決埋藏裂紋在Lr-Kr圖上的跳躍問(wèn)題，為壓力容器安全裕度的計(jì)算提供一種較有價(jià)值的研究方向。

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　　作者：謝陽(yáng)1,2，龍偉1,2，趙波*,1,2，劉華國(guó)1,2