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基于失效路徑理論的壓力容器裂紋缺陷安全評定

文檔作者：寧朝陽黎佳文檔來源：湖南工業職業技術學院		點擊數：	更新時間： 2022年04月27日
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第42卷第3期化工機械311
基于失效路徑理論的壓力容器裂紋
缺陷安全評定+
+寧朝陽”黎佳
(湖南工業職業技術學院)
摘要闡述了含裂紋缺陷壓力容器的安全評定方法，對相關失效路徑理論進行了分析。以壓力容器
的穿透裂紋為例，通過理論推導和仿真實驗的方法，利用軟件實現了失效路徑的仿真，并且基于失效路
徑為含裂紋缺陷壓力容器安全裕度的標定提供了新的方法。
關鍵詞壓力容器安全評定失效路徑仿真安全裕度
中圖分類號TQ053．2 文獻標識碼A 文章編號0254-6094(2015)03-0311-03
壓力容器是與國民經濟眾多領域密切相關的
一種通用設備，對于含裂紋缺陷壓力容器的安全
評估一直是專家研究的熱點¨J。近年來此項研
究取得了一定的進展，并形成了相關的標準，譬如
國內GB／T 19624．2004¨1，國外API 579．1／ASME
FFS．1 2007‘3|、DNV．RP．F101[4 3以及ANSI／AMSE
B31G¨o等。盡管取得了不少成果，但研究更多地
著眼于當前工況下壓力容器是否能夠正常使
用M J，而無法反映隨著裂紋的擴展，壓力容器的
使用是否安全可靠。利用常規方法得到的壓力容
器安全裕度，僅表征某一時刻下的瞬態安全裕度，
不能動態體現安全裕度隨裂紋擴展的變化情況。
基于此，筆者剖析壓力容器失效路徑相關理論，以
穿透裂紋為例進行了理論推導與軟件仿真，并提
出了標定壓力容器安全裕度的一種新方法。
1 壓力容器安全評定與失效路徑分析
1．1 壓力容器安全評定方法
壓力容器是具有潛在爆炸危險的特殊承壓設
備，對其安全性開展正確評估的意義重大。在常
規的安全評定實施過程中，須依據現行國際國內
標準，根據實際情況合理選擇與采用簡化評定、常
規評定和分析評定方法，并利用它們各自不同的
分安全系數特點，多方評估，互為補充，才能確保
安全評定的可靠性。其中，簡化評定以簡化失效
評定圖作為評估的輔助工具，如圖1所示，封閉圖
形由縱坐標怕，(斷裂比)、橫坐標Js，(載荷比)、水
平線、屆，=0．7和垂直線S，=0．8共同圍成。常規
評定法則采用K，=(1—0．14L；)·(0．3+
0．7e枷·65印)的失效評定曲線，如圖2所示。以上
兩者均根據評定點是否在安全區來確定該缺陷是
否可接受，即該容器是否安全。當常規評定不通
過時，在可能的情況下可以選擇采用分析評定法
對缺陷進行評定。
·湖南省科技廳科技計劃資助項目(2014FJ3115)。
}}寧朝陽，男，1973年11月生，副教授。湖南省長沙市。410208。
載荷比S，
圖1 裂紋缺陷簡化評定的失效評定圖
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8
7
6
5
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萬方數據
312 化工機械2015焦
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圖2 裂紋缺陷的通用失效評定圖
1．2失效路徑分析
為了進一步提升壓力容器安全評估質量，動
態反映壓力容器安全性和安全裕度，筆者重點引
入失效路徑的分析研究方法。失效路徑表示裂紋
缺陷由安全狀態變為不安全狀態的一種變化趨
勢，即將首次對裂紋缺陷安全性的評定點作為起
點，由一系列評定點擬合而成曲線段，如圖3所
示。圖3中的1、2、?、7點之所以離散，是因為評
定的時間相隔較大，如果在很小的時間d，內取無
窮個評估點，得到的曲線則為接近完全連續的曲
線。
迎
蘭
承
蕞
載倚tLL，
圖3 失效路徑示意圖
2 穿透裂紋失效路徑仿真
2．1 理論依據
基于上述失效路徑理論，以壓力容器中穿透
裂紋為例，開展失效路徑仿真，穿透裂紋安全性評
定的K，計算公式為：
K，=G(K；+K；)／KP+P (1)
式中G——相鄰裂紋間彈塑性干涉效應系數；
KK，}一一次評應定力用材引料起斷的裂應韌力度強；度因子；
Ks_二次應力引起的應力強度因子；
P——塑性修正因子。
一次應力引起的應力強度因子K?=~／竹Ⅱ·
(P。+P。)，其中n為規則化后的表征裂紋尺寸，
P。、P。分別為一次應力分解得到的薄膜應力分量
和彎曲應力分量；二次應力引起的應力強度因子
K；=~／盯o(Q。+Q。)，其中Q。、Q。分別為二次應
力分解得到的薄膜應力分量和彎曲應力分量。
載荷比L，計算公式為：
小(生)生叢些絲竽生堅業(2)
． 盯s Z
式中n——規則化后的表征裂紋尺寸；
曰——板厚；
P；『_一一次薄膜應力；
尺『_一壓力容器內徑；
盯_一壓力容器材料的屈服極限。
不難發現，K，、L，均與表征裂紋尺寸n有關，
令K，=一(n)，L，=五(o)，聯立方程組，即：
嚴2_(? (3)
【￡，=^(n)
2．2穿透裂紋失效路徑仿真
在實施壓力容器裂紋缺陷失效路徑仿真時，
令穿透裂紋擴展，即8值不斷增大，可以得到不同
時期裂紋的多個評定點。通過仿真得到裂紋缺陷
由安全狀態變為不安全狀態的整個失效路徑如圖
4所示。
迎
羞
裂
鑒
0
圖4 穿透裂紋失效路徑仿真圖
3安全裕度標定方法比較
目前，基于失效評定圖的安全裕度標定的通常
做法是：在失效評定圖中，從原點做經過評估點日
的一條射線與失效評定曲線FAC交于A點，如圖5
nD
所示，安全裕度計算式為等。此方法不可避免地L，A
存在一定的漏洞，當表征裂紋尺寸口增加時，即圖
5中評定點曰位置發生變化時，可能出現下一時刻
萬方數據
第42卷第3期化工機械313
與前一時刻得到的安全裕度相等的情況，而實際上
裂紋的擴展只會導致其安全裕度不斷減小。
過
董
鬣
蕃
載荷比L
圖5安全裕度的常規標定法
基于以上裂紋失效路徑仿真分析，為了更準
確標定安全裕度，筆者提出采用基于裂紋失效路
徑的安全裕度標定法。以圖4為例，定義安全裕
度為失效路徑曲線AC與曲線AB的長度比。這
種新的安全裕度標定方法以動態失效路徑為基
礎，避免了常規標定的不足，在一定程度上更為合
理，也為安全裕度的標定提供了新思路。
4 結束語
通過深入分析與研究，豐富并完善了裂紋失
效路徑理論。在分析穿透裂紋安全評定點計算方
法的基礎上，通過軟件計算，實施了失效路徑的仿
真。依托失效路徑的仿真曲線，給出了裂紋安全
裕度新的標定方法，這種標定法克服了常規標定
法中存在的不足，為安全裕度和剩余壽命預測提
供了新的思路。
參考文獻
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容器的安全裕度與剩余壽命研究[J]．四川大學學
報(工程科學版)，2012，44(4)：204—208．
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New York：API Publishing Services，2007．
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[5]DNV RP-F101，Recommended Practice RP—F101 Cor—
roded Pipelines[S]．Norway：Det Norske Veritas，
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[6] 龍偉，杜仕沖，余進．基于含缺陷在役壓力容器的模
糊評定[J]．四JII大學學報(工程科學版)，2007，39
(1)：166～170．
(收稿日期：2014-09旬5)
Safety Assessment of Pressure Vessel Cracks
Based on Failure Paths Theory
NING Zhao-yang，LI Jia
(Hunan Industry Polytechnic，Changsha 410208，China)
Abstract The safety assessment methods for pressure vessels with cracks were expounded，and the failure
paths theory concerned were analyzed．Taking through-wall cracks of pressure vessels for example and basing
on both theoretical derivation and simulation experiment，simulating failure paths was implemented to present a
new method of calibrating safety margin of pressure vessels with cracks．
Key words pressure vessel，safety assessment，failure paths，simulation，safety margin
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