壓力容器與管道安全評價4.4壓力容器的安全評價

1、第四節(jié) 壓力容器的安全狀況評價,一、常見缺陷檢查二、缺陷的處理三、壓力容器安全狀況等級評定四、壓力容器安全狀況評價示例（自學）五、在役含缺陷壓力容器的斷裂安全評價基礎六、在役含缺陷壓力容器的疲勞安全評定技術基礎,一、常見缺陷檢查 壓力容器比較常見的缺陷是腐蝕、裂紋和變形 1．腐蝕（詳細內(nèi)容可參考《工業(yè)設備腐蝕與防護》） 2．裂紋 (1)常見裂紋的種類 原材料裂紋、焊

2、接裂紋、過載裂紋、疲勞裂紋、腐蝕裂紋等。,(2)裂紋的檢查,裂紋的檢查可以用直觀檢查和無損探傷； 檢驗員可根據(jù)檢驗的具體情況來選用適當?shù)臋z查方法 2．變形 (1)變形缺陷的常見類型 壓力容器的變形缺陷常見的有局部凹陷、鼓包、扁癟和整體膨脹等幾種形式。 (2)變形的檢查 一般用直觀檢查方法，也可以通過量具檢查。,3．鋼材組織缺陷 鋼材組織缺陷是指鋼材金相組織在一定條件下發(fā)生了具有危險性的變化，常稱

3、作組織惡化。組織缺陷造成鋼材性能的顯著降低。 (1)常見的組織缺陷 焊接中的過燒、疏松等屬于組織缺陷，如造成鋼材脆化、過燒、脫碳等。,壓力容器長期在高溫條件下運行，其鋼材可能產(chǎn)生珠光體球化和石墨化 。 (2)組織缺陷的檢查 一般在用壓力容器可采用金相檢驗法、化學成分分析法、硬度測定法及力學性能試驗法等方法進行檢查。,二、缺陷的處理1．缺陷處理的一般原則 以安全可靠、經(jīng)濟合理、合乎使用為

4、原則。 通過消除或處理某些有潛在危險的缺陷，提高容器的安全狀況使之確能安全可靠地使用至下一個檢驗期或更長時間。 (1)設計缺陷的處理,1)材質問題處理 容器材質不明，對于無特殊要求的壓力容器，可按該類材料最低性能進行強度校核，通常按鋼號A3材料強度的下限值進行強度校核。 對于某些特殊要求的壓力容器，如低溫容器、高溫容器、劇毒介質和易燃易爆介質的容器，必須查明材質，否則應限期停止使用或改作它用。,

5、2)設計結構缺陷處理判定結構是否合理的主要依據(jù)： 有關的設計規(guī)范和標準 應力狀態(tài)和應力水平 是否能保證焊接質量 使用中是否產(chǎn)生因結構或制造工藝引起的裂紋、變形等缺陷,對于不合理的結構應作必要的處理。如： 未按規(guī)定開孔補強處理； 角焊縫的凹陷應圓滑過渡； 對于難以修復且不能保證安全運行的應判廢。(2)制造缺陷處理 制造缺陷主要是成形組裝缺陷和焊接缺陷。1)成形組裝缺

6、陷處理,成形組裝缺陷主要有錯邊、棱角、表面凹凸不平、截面不圓等，對容器安全運行影響較大的是錯邊和棱角。 若只是一般性超標，可不作處理； 嚴重的，應作無損探傷檢查，確認無其他缺陷，則通過應力分析，判定能否繼續(xù)使用。,若發(fā)現(xiàn)有裂紋、未熔合、未焊透等其他缺陷存在，就應消除缺陷或補焊修復；若錯邊量較大，也應作補焊修復處理。 2)焊接缺陷處理(3)運行缺陷的處理 1)腐蝕缺陷的處理 2)裂紋缺陷

7、處理 3)變形缺陷的處理 4)組織缺陷的處理,2．常用的修理方法(自學）3、壓力容器修復工作要點其工作要點是： (1)修理前 (2)修理時 (3)技術要求(4)修理所使用的材料 (5)補焊修理前,(6)焊前需要預熱 (7)補焊或堆焊部位 (8)挖補受壓部件時 (9)受壓部件不得采用貼補的修理方法 (10)同一部位返修一般不得超過兩次 壓力容器修理工作結束后，應將修理記

8、錄存入設備檔案中。,三、壓力容器安全狀況等級評定,1、壓力容器安全狀況等級的劃分 根據(jù)壓力容器的安全狀況，劃分為五個等級 1級：壓力容器出廠技術資料齊全；設計、制造質量符合有關法規(guī)和標準的要求；在法規(guī)規(guī)定的定期檢驗周期內(nèi)，在設計條件下能安全使用。2級：出廠技術資料基本齊全；設計、制造質量基本符合有關法規(guī)和標準的要求；根據(jù)檢驗報告，存在某些不危及安全可不修復的一般性缺陷；在法規(guī)規(guī)定的定期檢驗周期內(nèi)，在規(guī)定的操作條件下能安全使

9、用。,3級：出廠資料不夠齊全；主體材質強度、結構基本符合有關法規(guī)和標準的要求；對于制造時存在的某些不符合法規(guī)或標準的問題或缺陷，根據(jù)檢驗報告，未發(fā)現(xiàn)由于使用而發(fā)展或擴大；焊接質量存在超標的體積性缺陷，經(jīng)檢驗確定不需要修復；在使用過程中造成的腐蝕、磨損、損傷、變形等缺陷，其檢驗報告確定為能在規(guī)定的操作條件下，按法規(guī)規(guī)定的檢驗周期安全使用；對經(jīng)安全評定的，其評定報告確定為能在規(guī)定的操作條件下，按法規(guī)規(guī)定的檢驗周期安全使用。,4級：出廠技術資

10、料不全；主體材質不符合有關規(guī)定，或材質不明，或雖屬選用正確，但已有老化傾向；強度經(jīng)校核尚滿足使用要求；主體結構有較嚴重的不符合有關法規(guī)和標準的缺陷，根據(jù)檢驗報告，未發(fā)現(xiàn)由于使用因素而發(fā)展或擴大；焊接質量存在線性缺陷；在使用過程中造成的磨損、腐蝕、損傷、變形等缺陷，其檢驗報告確定為不能在規(guī)定的操作條件下，按法規(guī)規(guī)定的檢驗周期安全使用；對經(jīng)安全評定的，其評定報告確定為不能在規(guī)定的操作條件下，按法規(guī)規(guī)定的檢驗周期安全使用，必須采取有效措施，進

11、行妥善處理，改善安全狀況等級，否則只能在限定的條件下使用。,5級：缺陷嚴重，難于或無法修復，無修復價值或修復后仍難以保證安全使用的壓力容器，應予判廢。,注 意 安全狀況等級中所述缺陷，是壓力容器最終存在的狀態(tài)，如缺陷已消除，則以消除后的狀態(tài)確定該壓力容器的等級。 壓力容器只需具備安全狀況等級中所述問題與缺陷其中之一，就可確定該容器的安全狀況等級。,2、安全狀況等級評定,原則： 以檢驗結果作為劃

12、分安全狀況等級的依據(jù)，主要內(nèi)容包括材質檢驗、結構檢驗、缺陷檢驗三個檢驗項目的檢驗結果。 定級時，先對各分項檢驗結果劃分等級，最后以其中等級最低的一項作為該容器的最后等級。,(1)主要受壓元件的材質檢驗,三種情況：“用材與原設計不符”“材質不明”“材質劣化” 此時，安全狀況等級劃分如下： 1)用材與原設計不符,其定級的主要依據(jù)是判斷所用材質是否符合使用的要求。 2)材質不明 材質不明指材質查不清楚。

13、 在用壓力容器中，材料的代用、混用是經(jīng)常遇到的，要徹底查清，需花費較大的代價。,經(jīng)檢驗未查出新的缺陷，并按鋼號A3的材料校核其強度合格，在常溫下工作的一般壓力容器，可定為2級或3級。 如有缺陷，可根據(jù)相應的條款進行安全狀況等級評定。 3)材質劣化,,壓力容器使用后，如果因工況條件而產(chǎn)生石墨化、應力腐蝕、晶間腐蝕、氫損傷、脫碳、滲碳等脆化缺陷，說明材質已不滿足使用要求，可定為4級或5級 (2)結構檢驗

14、 存在不合理結構的壓力容器，劃分其安全狀況等級如下：,1)封頭主要參數(shù)不符合現(xiàn)行標準，但經(jīng)檢驗未查出新生缺陷，可定為2級或3級； 如有缺陷，可根據(jù)相應的條款進行安全狀況等級評定2)封頭與筒體的連接形式如采用單面焊對接結構，且存在未焊透時，根據(jù)未焊透的程度，定為3級到5級。,采用搭連結構，可定為4級或5級。 不等厚板對接，未作削薄處理的，經(jīng)檢查未查出新生缺陷，可定為3級，否則定為4級或5級。

15、3)焊縫布置不當或焊縫間距小于規(guī)定值 經(jīng)檢驗未查出新生缺陷，可定為3級； 如查出新生缺陷，并確認是由于焊縫布置不當引起的，則定為4級或5級。,4)按規(guī)定應采用全焊透結構的角接焊縫或接管角焊縫，而沒有采用全焊透結構的主要受壓元件，如未查出新生缺陷，可定為3級，否則定為4級或5級5)開孔位置不當 (3)缺陷檢查 1)存在內(nèi)外表面裂紋 2)存在機械損傷、工卡具焊跡和電弧灼傷,3)內(nèi)表面焊縫咬邊

16、尺寸變化4)錯邊量和棱角度超標 5)焊縫有深埋缺陷 6)有夾層 7)受腐蝕8)使用過程中產(chǎn)生的鼓包9)耐壓試驗不合格,五、在役含缺陷壓力容器的斷裂安全評定技術基礎,隨著現(xiàn)代化工業(yè)的迅速發(fā)展，壓力容器向大型化發(fā)展，厚截面壓力容器日益增多 ，使容器與鍋爐斷裂事故增多 ，世界各國均對其越來越關注，并不斷探索減少災難事故發(fā)生的科學辦法。,50年代末期，美國北極星導彈固體燃料發(fā)動機殼體在試驗發(fā)射時發(fā)生爆炸事故，殼體所用材料為D6AC高

17、強度鋼(=1400MPa，破壞應力低于屈服應力的一半)。破壞是突然發(fā)生的，事前無明顯預兆，損失嚴重。 這一事故用傳統(tǒng)的強度理論無法解釋。,1965年，美國發(fā)生了另一起著名的260SL-1固體火箭發(fā)動機壓力殼的典型脆斷事故破壞，破壞應力也是遠遠低于設計的工作應力。 這兩個事故促使一門年輕的學科——斷裂力學迅速產(chǎn)生與發(fā)展起來。這門學科的特點之一是帶缺陷物體作為研究對象的。,,到70年代為止，很多國家都制定了有關壓力容器

18、的制造與評定規(guī)范。但這些規(guī)范都嚴格禁止裂紋一類缺陷存在的規(guī)范方法，實際上，有些缺陷的存在并不影響壓力容器的安全使用，這樣，一個以新的工程概念，即以“合乎使用”為原則對在役壓力容器進行缺陷評定的方法發(fā)展起來了，斷裂力學即是使這種方法得以成立的理論基礎，它為缺陷評定提供了依據(jù)和手段。,這種“合乎使用”的評定方法可以對在役壓力容器的現(xiàn)狀及未來狀況進行評估和預測，判斷其是否能夠繼續(xù)使用及安全度如何。 顯而易見，這將會在安全的前提下使

19、壓力容器的潛能得以充分發(fā)揮，從而在最大程度上減少危害與損失，因此對在役含缺陷壓力容器進行安全評定具有重要意義。,在20年代，Griffith發(fā)現(xiàn)：有表面缺陷的玻璃試樣，其斷裂應力低于拉伸強度，隨著玻璃表面裂紋深度的增加，斷裂應力逐漸下降(見圖4-4) 他總結出斷裂應力與表面裂紋深度a平方根成反比的規(guī)律，即,進一步的研究表明，對那些材料強度很高的結構構件來說，因強度不足造成破壞的危險不再是唯一重要的了 高強度材料

20、韌性劣化，對裂紋非常敏感，韌性不足成了真正的威脅 此時，裂紋尖端局部區(qū)域應力的強弱程度對是否引起裂紋擴展起決定作用。,斷裂力學所研究的即是找到?jīng)Q定裂紋尖端應力場強度的力學參量——應力強度因子K1(或KⅠ、KⅡ)與材料抵抗斷裂性能參量——斷裂韌性KⅠC，建立斷裂判據(jù)，K1≤KⅠC 斷裂力學成功的解釋了高強度材料制成的容器為什么會發(fā)生低應力脆斷。,例如前述北極星導彈發(fā)動機殼體爆炸事故，雖然殼體材料強度高達1400

21、MPa，但斷裂韌性較低，如果取KⅠC=1800N/mm3/2，安全系數(shù)取1.3，此時允許的裂紋的臨界尺寸僅為0.5mm，由于當時探傷儀靈敏度有限，這樣小的裂紋往往漏檢，事故發(fā)生也就不足為奇了。,脆性材料到韌性材料可以有5種不同的斷裂機制：,(1) 線彈性斷裂，即裂紋開始擴展前，裂紋尖端沒有產(chǎn)生塑性區(qū)。(2) 小屈服斷裂，即裂紋開始擴展時裂紋尖端產(chǎn)生塑性區(qū)，但塑性區(qū)的尺寸遠比裂紋本身的尺寸小。(3) 大屈服斷裂，即裂紋開始擴展時，裂紋

22、尖端產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，塑性區(qū)的尺寸達到與裂紋尺寸相同的量級。,(4) 全面屈服斷裂，即裂紋開始擴展時，塑性已從裂紋的尖端開始發(fā)展到包圍了整條裂紋。(5) 流變斷裂，即斷裂發(fā)生于沒有裂紋的部位，通過頸縮過程而斷裂 鋼鐵材料，即使是高強度鋼，都有一定的韌性。在裂紋擴展以前在裂紋尖端先產(chǎn)生一定尺寸的塑性區(qū)，所以純粹的線彈性斷裂在鋼鐵材料中實際上是不存在的。,斷裂力學根據(jù)研究對象不同，分為線彈性斷裂力學和彈塑性斷裂力學。

23、 線彈性斷裂力學主要研究的是韌度與裂紋尖端附近的區(qū)域基本上受彈性應力場的控制，屈服區(qū)尺寸遠小于裂紋尺寸，破壞屬于小范圍屈服斷裂。,常用的中低強度鋼，多數(shù)情況是斷裂之前裂紋尖端相當大的區(qū)域會產(chǎn)生明顯的塑性變形，從而破壞了裂紋尖端的弱性應力場。 有的在裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展之前，出現(xiàn)穩(wěn)定的緩慢撕裂亞臨界擴展。這時裂紋的斷裂已不現(xiàn)由KⅠ控制，線彈性斷裂力學已經(jīng)失效，必須用彈塑性斷裂力學建立起來的判據(jù)進行分析。,彈塑性斷裂力學是

24、斷裂力學的較高層次，它是線彈性斷裂力學的發(fā)展，它能解決彈性斷裂力學所不能解決的問題，同時在線彈性范圍內(nèi)它也與線彈性斷裂力學等價。 在彈塑性斷裂力學中有許多不同的理論和分析方法，其中較為成熟而應用又能比較廣泛的，是裂紋尖端張開位移(COD)理論和J積分理論,,COD(crack open displacement)理論是60年代由英國人A·A·Wells提出來的。實驗與分析結果都證實，裂紋體受載后裂紋尖端

25、附近存在的塑性區(qū)使得裂紋表面分離，裂紋尖端有張開的位移。 COD判據(jù)簡單實用，可以利用小試樣在全面屈服條件下測出材料的斷裂韌度參量σc。,工程上使用COD方法是通過COD設計曲線進行計算實現(xiàn)的。然而COD理論的理論基礎較為薄弱，用于處理裂紋的穩(wěn)定擴展乃至失穩(wěn)擴展存在一定的困難。,J積分理論是1968年由美國人Ricc提出來的。這一理論是利用避開裂紋尖端的、與路徑無關的能量線積分J來措述裂紋尖端的應力應變場的。,J積分值反

26、映了裂紋尖端區(qū)的應變能，即應力變的集中程度。 J積分與同材料相應的臨界值Jc可以建立斷裂判據(jù)。 這個判據(jù)本質上是個能量判據(jù)，它是一個定義明確而且理論上嚴密的應力應變場參量。,這一理論成功地避開了裂紋尖端這一復雜的區(qū)域，不論用經(jīng)典的彈塑性理論，還是用有限元方法，對J積分作計算都較為簡單。 目前這種方法已進入工程實用階段。,結論：,斷裂力學指出了解決問題的途徑 提出了“強度與韌性相匹配”的原則

27、 解決了一系列工程中急待解決的問題 在很大程度上保證了安全生產(chǎn)及有關產(chǎn)品的可靠性,2、 壓力容器缺陷斷裂評定技術的發(fā)展,在壓力容器缺陷評定方面制定出一些用斷裂力學方法確定帶裂紋壓力容器安全與否的規(guī)范或指導性文件。 美國ASME“鍋爐及壓力容器規(guī)范”是最早把斷裂力學用于容器設計和缺陷評定的文件。,將由此方法計算得到的應力強度因子K1與相應溫度下材料的斷裂韌度作比較，確定最大的臨界缺陷尺寸ac，據(jù)此判

28、斷檢出缺陷是否可以接受。 規(guī)范中在參數(shù)的計算上均采用了較大的安全系數(shù)。,評定方法簡介,（1）COD設計曲線法 具有很大實用價值的，在被引入壓力容器的缺陷評定后，擴大了缺陷評定的應用范圍，反映了壓力容器缺陷評定技術從采用線彈性斷裂分析向采用彈塑性斷裂分析過渡的總趨勢，使缺陷評定技術邁上一個新臺階。,雖然COD是一個能很好的評價材料斷裂韌性的參量，但是它卻不是一個很好的結構斷裂評定參量。 （2）R6失效評定圖

29、法 R6中，在線彈性階段采用線彈性斷裂力學判據(jù)KⅠ≤KⅠC，在高韌度發(fā)生塑性失穩(wěn)時采用塑性破壞判據(jù)： σ≤σL 式中，σL為帶裂紋結構的極限應力,R6考慮了含缺陷結構在靜載下的不同失效模式：,缺陷很大而材料較脆時為線彈性斷裂失效； 缺陷很小而材料較韌時為塑性失穩(wěn)失效； 過渡的情況為彈塑性斷裂失效； R6給出的失效評定曲線實質上是兩個

30、明顯不同失效機理之間的內(nèi)插曲線，所以它可以同時完成三種失效模式的評定。,R6方法的突出優(yōu)點就是它考慮到材料線彈性行為和彈塑性行為的共同作用，在工程上能給出偏于安全的評定結果。 但是從R6的失效評定曲線(FAC)的推導過程來看，它也只能被作為一種以經(jīng)驗關系。（3）以J積分為基礎的失效評定曲線(FAC),,EPRI方法充分考慮了材料應變硬化的阻力曲線，因此它不僅可用于裂紋啟裂，還可以用于分析裂紋穩(wěn)定擴展的全過程。

31、 90年出版的PD6493作了徹底修改，將原來的COD設計曲線降為初級評定方法，而采用通用性較強的R6第二種選擇曲線作為PD6493的正常評定法和高級評定法。 失效評定圖應用于壓力容器缺陷評定的方法在缺陷評定中的地位越來越重要了。,用失效評定圖對斷裂失效進行評定的方法簡介,從缺陷評定的要求和原始材料資料的條件出發(fā)，按三種不同斷裂準則，對上述問題有三類分析方法 a．分析判定啟裂 b．分析小量韌性撕

32、裂 c. 分析穩(wěn)態(tài)擴展過程和失穩(wěn)條件,斷裂評定程序,(1) 根據(jù)無損檢測或其他方法求得缺陷幾何形狀和尺寸，并規(guī)則化為計算尺寸；(2) 確定缺陷部位的應力和應變；(3) 確定缺陷部位材料的性能數(shù)據(jù)；(4) 按等級評定要求判定所評定的缺陷是否允許；,(5) 如果所評定的缺陷是可以接受的，而壓力容器又承受疲勞載荷，則需要再進行疲勞評定；(6) 對于除斷裂和疲勞失效以外的其他失效模式，則要用相應的方法進行評定 一些因素對評

33、定點與評定結果的影響： 溫度對評定點及評定結果的影響 ：,,當溫度低于常溫時，溫度改變時，斷裂評定點的位置偏移較大。當使用溫度在韌脆轉移溫度附近時，KIC與常溫的KIC相比會減小很多，從而使Kr急劇增大。 常溫以上，隨溫度升高，Lr和Kr的變化規(guī)律與低溫變化情況相反,應變時效對評定結果的影響,應變時效的發(fā)生使增大，斷裂韌性下降，它對評定點的影響與低溫時的情況相似 ，評定點的軌跡有可能從安全區(qū)移動到非安全區(qū)。因此，

34、對有較大冷變形歷史的壓力容器，應該采用材料原始狀態(tài)的和應變時效后的斷裂韌性來計算評定點，確保評定結果的可靠性。,失效評定技術的新發(fā)展,由防止失效的評定，推進到預防失效的評定。 即由取一定的安全系數(shù)來保證判斷的安全性，進步到概率斷裂力學引入斷裂評定，這種方法具有更大的可靠性，因此它將是結構完整性評定的發(fā)展趨勢。,六、在役含缺陷壓力容器的疲勞安全評定技術基礎 在役含缺陷壓力容器的疲勞安全評定，通常也用斷裂力學疲