含缺陷壓力管道的失效模式及缺陷評(píng)定方法

r-包括缺陷壓力管道的半徑。D—以英寸表示的含缺陷壓力管道公稱直徑a—含缺陷壓力管道裂紋深度x—含缺陷壓力管道的裂紋相對(duì)深度,x=a/tl—含缺陷壓力管道的的裂紋相對(duì)長度,l=θ/πLKSPσ—含缺陷壓力管道所受的遠(yuǎn)埸應(yīng)力[σ]—含缺陷壓力管道材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力f—含缺陷壓力管道的外加載荷水平,f=σ[σ]1壓力管道焊縫的安全評(píng)定壓力管道如同工業(yè)的動(dòng)脈,遍布于諸多產(chǎn)業(yè)部門,是輸送各類介質(zhì)的特種承壓設(shè)備,據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)現(xiàn)有各類工業(yè)管道800多萬公里,而其中絕大多數(shù)是壓力管道。壓力管道的支承及受載條件比較復(fù)雜,主要載荷為彎曲應(yīng)力與熱脹應(yīng)力,這與壓力容器以受內(nèi)壓為主有很大區(qū)別。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,在役壓力管道的數(shù)量增加很快,而其運(yùn)行時(shí)間的不斷累積,使設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行管理中的問題逐漸產(chǎn)生和暴露,導(dǎo)致事故的發(fā)生。限于在役壓力管道的使用狀況,不可能對(duì)所有超標(biāo)缺陷壓力管道進(jìn)行更換或返修,因此,針對(duì)壓力管道的結(jié)構(gòu)及受載特點(diǎn),建立科學(xué)而適用的壓力管道缺陷評(píng)定規(guī)程,對(duì)壓力管道缺陷進(jìn)行安全評(píng)定,有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。壓力管道焊縫多為周向?qū)雍缚p,其缺陷也多以周向表面裂紋缺陷為主,此種壓力管道,稱為周向面型缺陷壓力管道,亦簡(jiǎn)稱含缺陷壓力管道。另外,管道材料一般為不銹鋼或碳鋼,韌性較好,而且受管壁厚度的限制,其缺陷(裂紋)沿厚度方向的尺寸不會(huì)很大,因而,壓力管道的失效模式是以塑性極限載荷控制為主,而不是通常的斷裂力學(xué)控制2塑性塌塌載荷因壓力管道使用材質(zhì)的不同,含缺陷壓力管道的母材和焊縫潛在的失效模式有三種,即脆性斷裂失效、彈塑性斷裂(韌性撕裂)失效及塑性極限載荷(塑性垮塌載荷)失效對(duì)于韌性很好的奧氏體鋼管道母材,潛在的失效模式為塑性極限載荷失效,因此,可直接以塑性極限載荷作為管道的極限承載能力進(jìn)行缺陷評(píng)定。對(duì)于奧氏體鋼管道的焊縫,當(dāng)含有裂紋類缺陷時(shí),一般也是塑性極限載荷控制,偶然也有彈塑性斷裂失效的情況發(fā)生。對(duì)于鐵素體鋼管道,無論裂紋缺陷位于母材還是焊縫脆性斷裂失效彈塑性斷裂失效及塑性極限載荷失效三種模式均有可能發(fā)生,為此,美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范ASMEIWB-36503不同缺陷失效評(píng)定方法與含缺陷壓力管道的三種失效模式相對(duì)應(yīng),有三種不同的裂紋缺陷失效評(píng)定方法,即脆性斷裂失效評(píng)定、彈塑性斷裂(韌性撕裂)失效評(píng)定及塑性極限載荷(塑性垮塌載荷)失效評(píng)定。3.1低應(yīng)力管道材料性能退化的機(jī)理一般情況,壓力管道很少發(fā)生脆性斷裂失效,但在溫度變化或蠕變條件下,管道材料的性能發(fā)生退化,則可能發(fā)生低應(yīng)力條件下的脆性斷裂失效。對(duì)此,較為有效的評(píng)定方法是采用應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù),即P3.2壓力管道不發(fā)生彈塑性斷裂的設(shè)置通常,含缺陷結(jié)構(gòu)的彈塑性斷裂要經(jīng)過四個(gè)階段,即裂紋的啟裂、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展和斷裂。因此,嚴(yán)格地說,對(duì)于含缺陷壓力管道彈塑性斷裂失效的安全評(píng)定,理應(yīng)采取能夠描述和評(píng)價(jià)上述四個(gè)階段的彈塑性斷裂力學(xué)方法,如J積分撕裂模量法目前,較為成熟的彈塑性斷裂工程簡(jiǎn)化評(píng)定方法是應(yīng)力乘子法和降載系數(shù)法。該類方法是通過應(yīng)力乘子(或降載系數(shù)),將彈塑性斷裂失效評(píng)定轉(zhuǎn)化為用塑性極限載荷控制的簡(jiǎn)單表格進(jìn)行評(píng)定。此簡(jiǎn)化不需要進(jìn)行彈塑性斷裂分析計(jì)算,而是借助塑性極限載荷失效的極限載荷公式,并采用簡(jiǎn)化后的表達(dá)式算出相應(yīng)的應(yīng)力乘子,就可得到壓力管道不發(fā)生彈塑性斷裂失效的最大載荷估算值,再考慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),即可確定該壓力管道的許可外加載荷。當(dāng)壓力管道受到的外加載荷小于許可外加載荷時(shí),壓力管道通過缺陷評(píng)定,處于安全狀態(tài)。應(yīng)力乘子Q的定義為:Q=結(jié)構(gòu)的塑性極限載荷/結(jié)構(gòu)的斷裂載荷若已知壓力管道所受外加載荷,只需以(外加載荷×應(yīng)力乘子)作為相應(yīng)于塑性極限載荷失效的等效外加載荷,查防止發(fā)生塑性極限載荷失效的許可缺陷尺寸表,即可以確定管道不發(fā)生彈塑性斷裂失效的許可缺陷尺寸。ASME規(guī)范根據(jù)J積分撕裂模量法原理,在進(jìn)行大量計(jì)算的基礎(chǔ)上,推薦了簡(jiǎn)化的應(yīng)力乘子表達(dá)式式中:C適用于奧氏體鋼管道Asada采用失效評(píng)定圖技術(shù)Kanno則給出了用于STS42管道的F因子計(jì)算式除上述幾種評(píng)定方法外,啟裂評(píng)定準(zhǔn)則和先漏后爆(Leak-Before-Break)評(píng)定準(zhǔn)則(LBB評(píng)定準(zhǔn)則)也屬于彈塑性斷裂失效評(píng)定法。LBB評(píng)定準(zhǔn)則是八十年代發(fā)展起來的一種安全評(píng)判理論對(duì)此特定的不允許發(fā)生泄漏的相關(guān)行業(yè),不能發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂,也不允許發(fā)生壓力管道泄漏。對(duì)此,徐宏提出了防止壓力管道裂紋缺陷啟裂的啟裂評(píng)定準(zhǔn)則因此,含缺陷壓力管道彈塑性斷裂失效的工程簡(jiǎn)化評(píng)定方法的核心內(nèi)容,是通過應(yīng)力乘子或降載系數(shù)等辦法,將彈塑性斷裂失效評(píng)定轉(zhuǎn)化為塑性極限載荷失效評(píng)定3.3含缺陷壓力管道塑性極限載荷預(yù)測(cè)對(duì)于以塑性極限載荷失效為模式的含缺陷壓力管道,其失效評(píng)定準(zhǔn)則是控制外載荷不超過含缺陷壓力管道的塑性極限載荷。顯然,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)含缺陷壓力管道塑性極限載荷,成為管道塑性極限載荷失效評(píng)定的關(guān)鍵和主要內(nèi)容對(duì)于含缺陷壓力管道,普遍應(yīng)用的塑性極限載荷計(jì)算式是根據(jù)KaninenASME規(guī)范根據(jù)NEC準(zhǔn)則,建立防止壓力管道發(fā)生塑性極限載荷失效的許可缺陷尺寸表,該表反映了X、L和F三者的關(guān)系。在ASME規(guī)范第Ⅺ卷及附錄中塑性極限載荷與其它含缺陷結(jié)構(gòu)的通用失效評(píng)定一樣,含缺陷壓力管道的缺陷評(píng)定也趨向于采用以J積分為基礎(chǔ)的工程簡(jiǎn)化評(píng)定方法,即失效評(píng)定圖技術(shù)。失效評(píng)定圖技術(shù)的核心內(nèi)容,是含缺陷結(jié)構(gòu)的斷裂參量K以塑性極限載荷(塑性垮塌載荷)為失效模式的含缺陷壓力管道,通過NSC準(zhǔn)則計(jì)算塑性極限載荷數(shù)值,在此基礎(chǔ)上,控制外加載荷不超過含缺陷壓力管道的塑性極限載荷,則滿足其失效評(píng)定準(zhǔn)則。含缺陷壓力管道彈塑性斷裂(韌性撕裂)失效的工程評(píng)定方法,是通過應(yīng)力乘子或降載系數(shù),將彈塑性