一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法，包括如下步驟：1.搜集數(shù)據(jù)；2.明確評(píng)估壽命；3.確定加載和溫度；4.彈性應(yīng)力分析；5.裂紋表征；6.初始裂紋泄漏和斷裂評(píng)定；7.判斷初始裂紋是否安全；8.判斷是否免于蠕變分析；9.計(jì)算參考應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子；10.基于初始裂紋尺寸計(jì)算持久壽命；11.判斷持久壽命是否足夠；12.判斷是否為穩(wěn)態(tài)蠕變；13.計(jì)算穩(wěn)態(tài)蠕變裂紋擴(kuò)展；14.計(jì)算非穩(wěn)態(tài)蠕變裂紋擴(kuò)展；15.基于當(dāng)前裂紋尺寸計(jì)算持久壽命；16.判斷當(dāng)前持久壽命是否足夠；17.當(dāng)前裂紋泄漏和斷裂評(píng)定；18.細(xì)化評(píng)估；19.判斷被評(píng)定對(duì)象是否安全。本發(fā)明方法可用于蠕變載荷作用下含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定。
【專利說明】一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法，尤其涉及一種蠕變 載荷作用下含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓力管道屬承壓類特種設(shè)備，廣泛用于石化、電力、冶金、燃?xì)獾冗^程工業(yè)領(lǐng)域，用 于輸送有毒、易燃、易爆等危險(xiǎn)化學(xué)品。這些壓力管道通常采用焊接方法現(xiàn)場(chǎng)施焊，不可避 免存在一些缺陷，這些缺陷長(zhǎng)期使用后將有可能進(jìn)一步擴(kuò)展，一旦發(fā)生失效、泄漏或爆炸， 往往并發(fā)火災(zāi)、中毒、環(huán)境污染、放射性污染等災(zāi)難性事故，將嚴(yán)重影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全、 國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行和社會(huì)穩(wěn)定。
[0003] 高溫環(huán)境下服役的壓力管道除了具有通常的脆性斷裂、塑性垮塌失效模式外，還 存在與環(huán)境和時(shí)間相關(guān)的持久斷裂、蠕變載荷作用引起的裂紋萌生與擴(kuò)展等失效模式。蠕 變裂紋擴(kuò)展和持久斷裂失效模式下的安全評(píng)定是高溫壓力管道合于使用評(píng)價(jià)、剩余壽命預(yù) 測(cè)的重要環(huán)節(jié)，是確保高溫壓力管道長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。
[0004] 目前美國(guó)ASME、英國(guó)R5、法國(guó)A16、英國(guó)BS 7910等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均針對(duì)高溫壓力容器 與壓力管道蠕變裂紋萌生擴(kuò)展、持久斷裂等失效模式建立了安全評(píng)定技術(shù)方法。其中，英國(guó) 核電R5規(guī)范最先進(jìn)和完善，該規(guī)范基于參考應(yīng)力技術(shù)，分別針對(duì)載荷控制、位移控制、載荷 和位移組合控制，給出了持久斷裂壽命、蠕變裂紋形核時(shí)間、應(yīng)力再分布時(shí)間、循環(huán)穩(wěn)定時(shí) 間的計(jì)算方法，并針對(duì)穩(wěn)態(tài)或非穩(wěn)態(tài)蠕變加載等工況條件，考慮母材和焊縫性能的不匹配 以及焊接殘余應(yīng)力分布，給出了含缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定技術(shù)方法。該方法雖較為 完善，但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)較為繁瑣。
[0005] 相比之下，我國(guó)高溫結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估技術(shù)研究起步較晚。本世紀(jì)初以來，國(guó)內(nèi)相 關(guān)科研機(jī)構(gòu)針對(duì)含裂紋類缺陷高溫壓力容器開展了蠕變斷裂參量、蠕變斷裂判據(jù)、與時(shí)間 相關(guān)的失效評(píng)定圖等方面研究，初步解決了含裂紋類缺陷高溫壓力容器的安全評(píng)定技術(shù)難 題。但針對(duì)高溫壓力管道，國(guó)內(nèi)目前相關(guān)研究主要集中于高溫壓力管道缺陷在線檢測(cè)、應(yīng)變 在線監(jiān)測(cè)、含局部減薄（凹坑）的極限載荷分析等方面，尚未針對(duì)裂紋類缺陷建立相應(yīng)的安 全評(píng)定技術(shù)方法。
[0006] 高溫壓力管道的安全評(píng)定方法與高溫壓力容器相比存在較大不同，首先是高溫壓 力管道所承受的載荷更為復(fù)雜，即使是直管段，所承受載荷也往往是彎矩、扭矩、內(nèi)壓載荷 的組合；其次是管道系統(tǒng)熱膨脹引起的溫度載荷往往占有較大比重，安全評(píng)定時(shí)通常需要 當(dāng)做一次應(yīng)力處理。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全 評(píng)定方法，適用于工作在蠕變溫度范圍內(nèi)的（碳鋼材料一般為400°C、CrMo鋼材料一般為 45(TC、不銹鋼一般為54(TC )、壓力彡0. IMPa的高溫壓力管道安全評(píng)定，包括如下步驟：
[0008] SI :獲得被評(píng)定對(duì)象的詳細(xì)資料與材料性能數(shù)據(jù)
[0009] 搜集被評(píng)定壓力管道的以下詳細(xì)資料：
[0010] 制造竣工圖、強(qiáng)度計(jì)算書、制造驗(yàn)收記錄、工作介質(zhì)、工作溫度、載荷狀況、運(yùn)行和 故障記錄、歷次檢修與維修報(bào)告；
[0011 ] 搜集被評(píng)定壓力管道的以下材料性能數(shù)據(jù)：
[0012] 持久性能數(shù)據(jù)、蠕變變形數(shù)據(jù)、持久斷裂延性數(shù)據(jù)、蠕變裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)、斷裂 韌性數(shù)據(jù)、拉伸性能數(shù)據(jù)、楊氏模量和泊松比；
[0013] S2 :確定被評(píng)定對(duì)象的評(píng)估壽命
[0014] 確定被評(píng)定對(duì)象迄今已服役壽命t。、將來預(yù)期服役壽命ts，則評(píng)估壽命為心二 t〇+tS ;
[0015] S3 :確定加載條件和溫度歷史
[0016] 根據(jù)操作工況確定評(píng)估壽命〇?h期間內(nèi)被評(píng)定對(duì)象的加載條件和溫度歷史；
[0017] S4 :無裂紋體彈性應(yīng)力分析和分類
[0018] 假定被評(píng)定對(duì)象材質(zhì)均勻，按第S3步的加載條件和溫度歷史進(jìn)行無裂紋結(jié)構(gòu)的 應(yīng)力分析，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力；
[0019] 一次應(yīng)力為壓力載荷、管道系統(tǒng)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，二次應(yīng)力為焊接殘余應(yīng)力、其他 非焊接引起的殘余應(yīng)力；
[0020] S5 :裂紋表征與規(guī)則化
[0021] 通過無損檢測(cè)和金相觀察，確定裂紋的位置和類型，按照GB/T 19624《在用含缺陷 壓力容器安全評(píng)定》進(jìn)行裂紋的表征和規(guī)則化；
[0022] S6 :基于初始裂紋尺寸的泄漏和斷裂評(píng)定
[0023]利用初始裂紋尺寸aQ、被評(píng)定對(duì)象的工況條件、材料的斷裂鈿性和拉伸性能數(shù)據(jù)， 按照GB/T 19624進(jìn)行泄漏和斷裂評(píng)定；
[0024] S7 :判斷初始裂紋尺寸是否安全或可接受
[0025]按照GB/T 1%24判斷初始裂紋尺寸是否安全或可接受，若是，則執(zhí)行第S8步，判 斷是否免于蠕變失效分析；否則，執(zhí)行第S18步，改進(jìn)評(píng)估過程；
[0026] S8 :判斷是否免于蠕變失效分析
[0027]-判斷被評(píng)定對(duì)象是否免于蠕變失效分析，若是，則被評(píng)定對(duì)象可以繼續(xù)服役；否 貝1J，執(zhí)行第S9步，計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子；
[0028] 免于蠕變失效分析的判斷條件為：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種含裂紋類缺陷高溫壓力管道的安全評(píng)定方法，所述高溫壓力管道工作在蠕變溫 度范圍內(nèi)、壓力彡0.IMPa，其特征在于包括如下步驟： 51 :獲得被評(píng)定對(duì)象的詳細(xì)資料與材料性能數(shù)據(jù) 搜集被評(píng)定壓力管道的以下詳細(xì)資料： 制造竣工圖、強(qiáng)度計(jì)算書、制造驗(yàn)收記錄、工作介質(zhì)、工作溫度、載荷狀況、運(yùn)行和故障 記錄、歷次檢修與維修報(bào)告； 搜集被評(píng)定壓力管道的以下材料性能數(shù)據(jù)： 持久性能數(shù)據(jù)、蠕變變形數(shù)據(jù)、持久斷裂延性數(shù)據(jù)、蠕變裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)、斷裂韌性 數(shù)據(jù)、拉伸性能數(shù)據(jù)、楊氏模量和泊松比； 52 :確定被評(píng)定對(duì)象的評(píng)估壽命 確定被評(píng)定對(duì)象迄今已服役壽命h、將來預(yù)期服役壽命ts，則評(píng)估壽命為h=h+k; 53 :確定加載條件和溫度歷史 根據(jù)操作工況確定評(píng)估壽命〇?h期間內(nèi)被評(píng)定對(duì)象的加載條件和溫度歷史； 54 :無裂紋體彈性應(yīng)力分析和分類 假定被評(píng)定對(duì)象材質(zhì)均勻，按第S3步的加載條件和溫度歷史進(jìn)行無裂紋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力 分析，將應(yīng)力劃分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力； 一次應(yīng)力為壓力載荷、管道系統(tǒng)載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，二次應(yīng)力為焊接殘余應(yīng)力、其他非焊 接引起的殘余應(yīng)力； 55 :裂紋表征與規(guī)則化 通過無損檢測(cè)和金相觀察，確定裂紋的位置和類型，按照GB/T19624《在用含缺陷壓力 容器安全評(píng)定》進(jìn)行裂紋的表征和規(guī)則化； 56 :基于初始裂紋尺寸的泄漏和斷裂評(píng)定 利用初始裂紋尺寸％、被評(píng)定對(duì)象的工況條件、材料的斷裂韌性和拉伸性能數(shù)據(jù)，按照GB/T19624進(jìn)行泄漏和斷裂評(píng)定； 57 :判斷初始裂紋尺寸是否安全或可接受 按照GB/T19624判斷初始裂紋尺寸是否安全或可接受，若是，則執(zhí)行第S8步，判斷是 否免于蠕變失效分析；否則，執(zhí)行第S18步，改進(jìn)評(píng)估過程； 58 :判斷是否免于蠕變失效分析 判斷被評(píng)定對(duì)象是否免于蠕變失效分析，若是，則被評(píng)定對(duì)象可以繼續(xù)服役；否則，執(zhí) 行第S9步，計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子； 免于蠕變失效分析的判斷條件為：
式中j= 1，…，N表示不同的載荷條件，&為第j個(gè)加載條件下的服役時(shí)間，為第j個(gè)加載條件下的允許時(shí)間； 59 :計(jì)算一次載荷參考應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子 一次載荷參考應(yīng)力計(jì)算公式為：
式中P為一次載荷，。y為屈服應(yīng)力，PJ〇y，a)為與屈服應(yīng)力Oy和裂紋尺寸a相對(duì)應(yīng) 的結(jié)構(gòu)塑性垮塌載荷，L為載荷比； 應(yīng)力強(qiáng)度因子KJa)為一次應(yīng)力強(qiáng)度因子Kp(a)和二次應(yīng)力強(qiáng)度因子Ks(a)之和，按以 下公式計(jì)算： K0 (a) =Kp (a) +Ks (a) (3) 510 :基于初始裂紋尺寸計(jì)算持久斷裂壽命 基于初始裂紋尺寸％計(jì)算持久斷裂壽命tm(l ; 當(dāng)一次載荷在蠕變裂紋擴(kuò)展過程中占主導(dǎo)地位時(shí)，持久斷裂壽命按以下公式計(jì)算：
式中tr[ 〇 ]為傳統(tǒng)應(yīng)力-斷裂時(shí)間曲線上與應(yīng)力〇相對(duì)應(yīng)的持久斷裂時(shí)間，arpef(a) 為與當(dāng)前裂紋尺寸a相對(duì)應(yīng)的一次載荷參考應(yīng)力； 當(dāng)應(yīng)力松弛在蠕變裂紋擴(kuò)展過程中占主導(dǎo)地位時(shí)，持久斷裂壽命按以下公式計(jì)算：
式中4?)是與蠕變應(yīng)變速率相關(guān)的蠕變延性； 511 :判斷tm(|是否大于& =to+tf； 判斷tm(l是否大于h=h+k，若是，則執(zhí)行第S12步，判斷結(jié)構(gòu)是否處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段； 否則，執(zhí)行第S18步，改進(jìn)評(píng)估過程； 512 :判斷結(jié)構(gòu)是否處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段 判斷結(jié)構(gòu)是否處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段，若是，則執(zhí)行第S13步，計(jì)算穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂 紋擴(kuò)展；否則，執(zhí)行第14步，計(jì)算非穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展； 結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)態(tài)蠕變階段的判斷條件為：t>tred (6) 式中t為服役時(shí)間，trad為應(yīng)力再分布時(shí)間； 當(dāng)只有一次載荷作用時(shí)，tMd按以下公式計(jì)算：
式中如V]為單軸蠕變變形數(shù)據(jù)上與當(dāng)前裂紋尺寸a相對(duì)應(yīng)的、一次載荷參考應(yīng) 力作用下經(jīng)過t時(shí)間之后累積的蠕變應(yīng)變； 對(duì)于載荷和位移組合控制的加載條件，當(dāng)KtZKp < 3、彈性隨動(dòng)因子Z< 3時(shí)，tMd計(jì)算 公式為：
513 :計(jì)算穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展 穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式為：
式中A、qi為穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展模型參數(shù)，4為當(dāng)前參考應(yīng)力和蠕變應(yīng)變 下的蠕變應(yīng)變速率，為參考應(yīng)力作用了時(shí)間t以后累積的蠕變應(yīng)變，R'為特征長(zhǎng)度； 514 :計(jì)算非穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展 非穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展計(jì)算公式為：
式中A2、q2為非穩(wěn)態(tài)蠕變階段的蠕變裂紋擴(kuò)展模型參數(shù)，e。為截止t時(shí)刻累積的蠕變 應(yīng)變，h為參考應(yīng)力下的彈性應(yīng)變； 515 :基于當(dāng)前裂紋尺寸計(jì)算持久斷裂壽命 基于蠕變裂紋擴(kuò)展后的當(dāng)前尺寸，按照公式（4)或（5)計(jì)算持久斷裂壽命tm; 516 :判斷是否大于t2 =tQ+l. 25ts 判斷是否大于t2 =h+1. 25ts，若是，則執(zhí)行第17步，基于當(dāng)前裂紋尺寸進(jìn)行泄漏和 斷裂評(píng)定；否則，執(zhí)行第18步，改進(jìn)評(píng)估過程； 517 :基于當(dāng)前裂紋尺寸的泄漏和斷裂評(píng)定 利用蠕變裂紋擴(kuò)展后的當(dāng)前尺寸、被評(píng)定對(duì)象的工況條件、材料的斷裂韌性和拉伸性 能數(shù)據(jù)，按照GB/T19624進(jìn)行泄漏和斷裂評(píng)定； 518 :改進(jìn)評(píng)估過程 改進(jìn)評(píng)估過程為以下一種或幾種情況的綜合： 1) 降低被評(píng)定對(duì)象的預(yù)期服役壽命ts，并在到達(dá)此時(shí)間之前進(jìn)行再次評(píng)估； 2) 改變被評(píng)定對(duì)象未來服役工況，以降低損傷累積速率和蠕變裂紋擴(kuò)展量； 3) 按照被評(píng)定對(duì)象服役工況下的平均載荷或平均溫度進(jìn)行應(yīng)力分析，以降低按照峰值 載荷或峰值溫度進(jìn)行應(yīng)力分析所導(dǎo)致的結(jié)果偏保守性； 4) 采用實(shí)測(cè)的被評(píng)定對(duì)象材料性能數(shù)據(jù)，代替選擇的通用數(shù)據(jù)； 519 :判斷當(dāng)前裂紋尺寸是否安全或可接受 按照GB/T19624判斷當(dāng)前裂紋尺寸是否安全或可接受，若是，則被評(píng)定對(duì)象可繼續(xù)服 役；否則，被評(píng)定對(duì)象需維修、更換部件或退役。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104268383SQ201410475526
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】陳學(xué)東, 范志超, 楊鐵成, 江慧豐, 董杰, 涂善東, 軒福貞 申請(qǐng)人:合肥通用機(jī)械研究院