（油气储运工程专业论文）储罐裂纹型缺陷安全评估.pdf

英文摘要 s u b i e e t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： s a f e t ya s s e s s m e n tf o ro i lt a n k sc o n t a i n i n gc r a c k s o i l g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n $ i a n gh u a n y o n g ( s i g n a t u r e ) i ：! 盐坐1 2 ：1 3 l ih e l i n ( s i g n a t u 旧丝型兰! 旦 蠊s t r a c t t h e r ea r el o t so fd e f e c t so nn i lt a n k sa f t e rr u n n i n gf o rm a n yy e a r s ，a m o n gw h i c h ，c r a c k s i st h em o s td a n g e r o u so n ei ft h es a f e t yo ft h eo i lt a n k sc o n t a i n i n gc r a c k sc a i lb ea s s e s s e d s c i e n t i f i c a l l y , t h ep o s s i b i l i t yo f t r o u b l ec a n b er e d u c e ds i g n i f i c a n t l y i nt h i s p a p e r , t h e m e t h o d so ff o u rf a m o u ss t a n d a r d so r s p e c i f i c a t i o n s 0 0 f i t n e s s - f o r - s e r v i c ea s s e s s l n e n ta r ed e s c r i b e d ，a n dt h e ya r ec o m p a r e do ns i xa s p e c t s a r a o n g t h o s ef o u rs t a n d a r d sa n ds p e c i f i c a t i o n s ，t h em e t h o db ya p ir p5 7 9i st h em o s ts u i t a b l eo n ef o r t h er e m a h f i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n tf o ro i lt a n k sc o n t a i n i n gc r a c k s f u r t h e rm o r e ，a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ef a do fo i lt a n k sc o n t a i n i n gc r a c k s h a sb e e nd o n e ，s n dt h et h r e em a t e r i a l su s e di nt h ee x p e r i m e n ta r e1 6 m n r ，2 0 ra n dq 2 3 5 b t h 。g e n e r a lc * l r v ef o rt h e s et h r e em a t e r i a l si sf i t t e d hi sm o r es a f e ru s i n gt h i sf i t t e dc u r v ef o r t h er e m a i n i n gs t r e n g t ha s s e s s i t l e n t f o ro i l t a n k s t h a n t h a t o f g e n e r a lc u r v eo f r 6 o nt h eb a s i so fa b o v et h e o r e t i c a la l i a l y s i sa n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h es p e c i f i c p m c e d u r eo f r e m a i n i n gs t r e n g t ha s s e s s m e n ti sg i v e n i nt h ee n d ，an e wm e t h o df o rt h ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o nn a m e da sd i g i t a la p p r o x i m a t i o ni s p r e s e n t e d p r e p a r e dt oc o n v e n t i o n a lm e t h o d ，t h ed i g i t a la p p r o x i m a t i o ni sb e t t e rf o re v g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：o i lt a n k s ，c r a c k s ，f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m ，r e m a i n i n gs t r e n g t h a s s e s s m e n t ，f a t i g u el i f ep r e d i c t i o n t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y ( s c i e n c er c s e a r c hf o u n d a t i o no f c n p cs u p p o r t st h ep a p e r ) i i 【 学位论文创新性声明 y 9 4 1 6 4 2 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：耋堕塑日期：塑鳇篁旦鱼璺 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法 发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位 论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期：如口碑明口闫 日期：丝! 缓壁! ! 曰 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 盟舭善毒一彦矿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 含缺陷储罐适用性评价的意义 储罐主要用于储存易燃易爆或有毒、有污染的液体或气体，具有用材少、占地面积 小、结构简单、易于大型化等特点，广泛用于石油、化工、航天、市政等部门。 长期以来，我国相当一部分在用储罐一方面因制造质量较差，本身就带有制造缺陷 或称先天性缺陷；另一方面，因储存介质、载荷条件恶劣等因素，在使用过程中极易产 生腐蚀、裂纹等缺陷。特别是那些七、八十年代建造的储罐，因当时冶金质量、焊接工 艺水平等条件所限，多年运行之后，往往存在大量缺陷，再加上使用过程中管理不善， 致使安全事故频繁发生，造成经济损失、人员伤亡和环境污染。如：吉林煤气公司 1 0 2 4 4 0 0 m 3 液化石油气球罐的恶性爆炸事故，使一个投资六百多万元、投产仅2 年零3 个月的液化石油气贮厂付之一炬，损失惨重，事故的原因之一就是球罐的制造质量低劣， 其内外壁均有严重的咬边( 最深处达2 7 m m ，在主断裂源区段咬边总长度为3 0 5 m m ) 与 焊接裂纹，环缝处还有局部严重错边( 约为壁厚的一半) ，加上存在着浓度高达5 0 0 0 p p m 的h 2 s ，结果在内壁裂纹处，由于应力腐蚀促使裂纹进一步扩展，最终导致低应力脆断， 造成这一恶性破坏事故。吉林一液化气站一台4 0 0 m 3 液化气球罐，由于组焊时产生深 6 - 8 m m 的焊接裂纹，使用中发生脆断，裂纹扩展长达1 3 5 m 。大量液化气喷出汽化，形 成巨大云气团，逸出界区后遇明火燃烧，罐区一片火海，造成灾难性的破坏。整个事故 直接经济损失6 2 7 万元，死亡3 6 人，伤5 0 人。1 9 9 7 年6 月，北京东方化工厂罐区发生 特大火灾爆炸事故，死亡2 0 余人。经过事故调查结论为：石脑油a 罐“装满外溢”( 冒 顶) 蒸发，造成大面积的石脑油气的爆炸、爆燃、燃烧，最后引起乙烯b 罐的爆炸。1 9 9 8 年3 月，陕西省西安市液化气站1 号球罐下部排污管道法兰泄露持续约3 小时，整个厂 区充满了石油气，配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终发生 物理爆炸，死亡1 3 人，伤3 0 人。事故原因与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关，事故性质 确定为设备事故。山东省某县化肥厂一液氨储罐在使用中突然发生爆炸，喷出的大量的 液氨蒸发造成二次爆炸着火，损失很大。经分析，爆炸原因为初始裂纹在液氨中受应力 腐蚀而失稳扩展。据国家质量技术监督局统计，2 0 0 0 年全国共发生锅炉、压力容器等特 种设备爆炸事故1 5 5 起，严重事故1 5 1 起，死亡1 7 5 人，受伤3 6 8 人，直接经济损失4 5 0 3 2 3 万元。2 0 0 1 年全国共发生锅炉、压力容器等特种设备严重以上事故3 0 8 起，其中，特大 事故1 起，重大事故1 3 起，严重事故2 9 4 起，死亡2 8 4 人，受伤4 3 5 人，直接经济损失 1 8 5 1 7 万元，与2 0 0 0 年相比，爆炸事故增加1 0 3 2 。 开展含缺陷储罐安全评定方法研究，在兼顾安全性和经济性的基础上，通过对含缺 陷储罐的安全可靠性进行科学评估，为储罐安全管理和维护决策提供科学依据，从而能 够显著降低事故发生率，保障安全生产。通过适用性评价，不仅可以大大减少储罐事故 西安石油大学硕士学位论文 发生率，而且可以避免不必要和无计划的维修和更换，从而获得巨大的经济效益和社会 效益。因此，开展含缺陷储罐适用性评价有重要工程意义。 1 2 国内外含缺陷储罐适用性评价技术的研究现状 1 2 1 适用性评价技术概述 为了保证储罐的安全可靠性，工程上有两类标准。一类是建造标准或质量控制标准， 主要针对新建的储罐；另一类是以“适用性”或“合于使用”( f i t n e s sf o rs e r v i c ef f s ) 为原则的标准，是以断裂力学、弹塑性力学、材料科学、可靠性工程为基础的评价标准， 这类标准主要针对在用储罐。 表1 1 适用性评价标准或规范 序号名称r 提出单位提出时间适用范围 i i w x 7 4 9 7 4 国际焊接协会 1 1 9 7 5 裂纹型缺陷 按脆断观点建议的缺陷评定方法 ( i i w ) b s ip d 6 4 9 3 4 9 7 6 英国标准协会 主要为 2 1 9 7 6 焊接结构中缺陷评定方法指南 ( b s i ) 平面型缺陷 a s m 暇 美国机械工程师协会 3 1 9 7 7 裂纹型缺陷 锅炉及压力容器规范第1 i i 卷附录g( a s m e ) a s m 匣 美国机械工程师协会 4 1 9 7 7 裂纹型缺陷 缺陷显示分析规范第x i 卷附录a( a s m e ) w e s2 8 0 5 1 9 8 0 日本焊接协会 5 1 9 8 0 平面型缺陷 按脆断评定的焊接缺陷验收标准( j w e s ) d w s2 4 0 1 1 6 德国焊接协会 1 9 8 2 平面型缺陷 焊接接头缺陷的断裂力学评定 e p r in p 一2 4 31 7 含缺陷核压力容器及管道的 美国机械工程师协会 完整性评价规程 ( a s m e ) 1 9 8 2 裂纹型缺陷 8 c v d a 8 4 压力容器缺陷评定规范中国机械部、化工部1 9 8 4裂纹型缺陷 c e g br h r 6 。r e v 3 英国中央电力局 9 1 9 8 8 平面型缺陷 含缺陷结构的完整性评价( c e g b ) 1 0 s a p v - 9 5 含缺陷压力容器安全评定中国 1 9 9 5 裂纹型缺陷 s a qff o u r e p o r t9 6fq 甚 1 1 瑞典 1 9 9 6 裂纹型缺陷 含缺陷构件安全评定规程手册【1 】 a p ir p5 7 9 美国石油协会裂纹、腐蚀、 1 2 2 0 0 0 适用性评价推荐方法 ( a p i ) 几何变形等 s i n t a p 欧洲委员会 1 3 2 0 0 0平面型缺陷 欧洲工业结构完整性评价方法 ( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) g b 厂r19 6 2 4 2 0 0 4 中国特种设备检测研究裂纹型缺陷 1 4 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定中心凹坑 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上逐渐发展形成了兼顾安全可靠性和经济性的含缺陷结 构适用性评价技术【2 1 。适用性评价是对含有缺陷的结构或装备能否适合于继续使用，以 2 一 第一章绪论 及如何使用的定量工程评价，包括定量检测结构中的缺陷，依据严格的理论分析判定缺 陷对安全可靠性的影响，对缺陷的形成、扩展及构件的失效过程、后果等做出判断【3 j 。 最后可按4 种情况分别处理：( 1 ) 对那些不会给安全生产造成危害的缺陷将允许存在； ( 2 ) 结构如含有虽不造成威胁但可能会进一步扩展的缺陷，需要进行寿命预测，并允许 在监控下使用；( 3 ) 若含有缺陷结构在降低使用等级后能保证安全可靠性要求，则可考 虑降级使用；( 4 ) 对于那些所含缺陷已对安全可靠性构成威胁的结构或构件，必须立即 采取措施，或返修或停止使用。 适用性评价包括剩余强度评价和剩余寿命预测两方面。剩余强度评价是在缺陷检测 基础上，通过严格的理论分析、试验测试和力学计算，确定最大允许工作压力( m a o p ) ( 或最大允许液面高度m f h ) 和当前工作压力下的临界缺陷尺寸，为结构的维修和更换， 以及升降压操作提供依据。剩余寿命预测是在研究缺陷的动力学发展规律和材料性能退 化规律的基础上，给出结构的剩余安全服役时间。剩余寿命预测结果可以为检测周期的 制定提供科学依据。适用性评价技术经过2 0 多年的发展，国际上已形成了诸多评价标准 或规范( 见表1 1 ) ，其中具有代表性的有：e p r in p 2 4 3 1 “含缺陷核压力容器及管道的 完整性评价规程”、b s ip d 6 4 9 3 “焊接结构中缺陷评定方法指南”、c e g br 6 “含缺陷结 构的完整性评价”等。 1 2 2 国外的研究现状 1 ) 断裂力学评定方法的发展 断裂力学是固体力学和材料科学结合而形成的一门科学，主要研究含裂纹材料或结 构的强度及裂纹扩展规律。作为一门独立的工程学科，它起源于1 9 4 8 年i r w i n 经典论文 “f r a c t u r ed y n a m i c s ”的发表【4 j 。断裂力学的基本思想是从构件存在宏观裂纹这一点出发， 利用线弹性和弹塑性力学的分析方法，对构件中裂纹问题进行理论分析和试验研究，从 而对含裂纹构件的安全性和寿命给出定量和半定量的估算。断裂力学的快速发展为含裂 纹结构的安全评定奠定了理论基础，产生了诸如c o d 曲线、r 6 和e p r i 失效评定图等 以“合于使用”为原则的断裂评定规范，标志着缺陷评定技术的有力进展。 首先是以线弹性断裂力学和c o d 为基础的缺陷评定技术。早期的缺陷评定技术是 以线弹性断裂力学为基础的，即先通过计算或手册查出实际含裂纹构件的应力强度因子 联对i 型裂纹) ，再与材料的平面应变断裂韧度值k r c 比较，若前者小于等于后者，则是 安全的；否则构件将发生破坏。这种评定方法较简单，仅能用于比较脆或以弹性方式失 效的材料，因而限制了它的直接应用。a s m e 规范第1 i i 卷附录g 和第x i 卷附录a 就是 这方面的典型代表。附录g 严格讲是选材标准，而附录a 则可认为是评定标准。继1 9 7 1 年a s m e 将线弹性断裂力学应用于压力容器缺陷评定之后，1 9 7 5 年国际焊接学会在英国 焊接研究所的支持下又编制了一套以弹塑性断裂力学裂纹张开位移( c o d ) 拍j 据为基础的 缺陷评定方法英国w e e 3 7 和i i w 方法。后来在英国、日本等国家也都发布了一些 西安石油大学硕士学位论文 以c o d 设计曲线为基础的缺陷评定规范。由于c o d 的理论基础及定义都不够严密，给 出的结果又过于保守，因而以c o d 设计曲线为基础的评定文件如英国的b sp d 6 4 9 3 5 】 和我国的c v d a 8 4 1 6 - - 直未成为正式标准，只是以指导性文件存在。 其次是以弹塑性断裂力学，积分理论为基础的缺陷评定技术。弹塑性断裂力学判据 以其理论严密而受到人们重视，随着有限元计算方法及电子计算机的应用，美国电力研 究院给出一种基于材料服从r a m b e r g o s g o o d 本构关系的弹塑性断裂分析工程方法，简 称e p r i 全塑性解【7 j 。它的基本思想是将裂纹扩展驱动力等分为线弹性解和全塑性解， 线弹性解由i r w i n 考虑硬化修正的应力强度因子换算，全塑性解由所给图表进行内插， 从而得到实际裂纹体结构的裂纹扩展驱动力。同时，他们在，积分的基础上建立了失效评 定图的方法峭j 。英国中央电力局( c e g b ) 早在1 9 7 6 年发表了题为含缺陷结构的完整性评 价的r h r 6 报告，简称为r 6 方法【9 】，也采用了失效评定图技术( 曾被称为双判据法) 。 但当时的失效评定图中的失效评定曲线是从c o d 理论的理想塑性材料窄条屈服模型和 线弹性断裂力学k 肛= 盯c 7 - t a 的关系导出的，理论上不严格，只能看作一个经验关系式。 后来在吸收美国e p r i 方法成果的基础上，1 9 8 6 年c e g b 发表了r 6 第三版【1 0 】，称为新 r 6 方法。它以，积分取代了理想塑性材料的窄条屈服模型，将失效评定曲线的物理意义 阐述得非常清楚，形成了，积分的r 6 失效评定图。，积分失效评定图能同时完成三种失 效模式的评定，即缺陷很大且材料很脆时的线弹性断裂失效，缺陷很小且材料较韧时的 塑性失效和过渡情况的弹塑性失效。而且如果有了失效评定曲线，评定时可以仅进行线 弹性断裂参量的计算，而评定给出的结论却是弹塑性断裂分析的结果，工程应用十分方 便，显示了，积分失效评定图技术的强大优越性，也反映了近几年弹塑性断裂力学的重 大发展。 2 ) 近年发展概况 近年来欧美安全评定规范的发展有两件标志性的大事。第一件是1 9 9 6 年欧洲委员会 为了建立一个统一的欧洲评定标准，发动组织了一个研究计划，有9 个国家的1 7 个组织 参加，于1 9 9 9 年完成了“欧洲工业结构完整性评价方法”【1 1 | ，简称s i n t a p ，已于2 0 0 0 年发表并已形成了一个未来欧洲统一标准的草稿。由于英国r 6 、p d6 4 9 3 、德国的c k s s 及瑞典技术中心都是s i n t a p 研究的核心成员，鉴于s i n t a p 不久将要成为欧洲的统一 标准，r 6 及b sp d6 4 9 3 在它即将颁布新版前夕，对它们各自的修改稿又作了一次紧急 修改。r 6 于2 0 0 1 年颁布了他的全新版( 第四版) ；p d6 4 9 3 于2 0 0 0 年颁布了他的修订 版，但代号已改为b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 1 2 j ，取消了p d 代号而正式列入正规的英国标准。第二 件大事是美国石油学会于2 0 0 0 年颁布了针对在役石油化工设备的适用性评价标准a p i r p5 7 9 ：2 0 0 0 1 3 】，在内容上具有鲜明特色，反映了结构完整性评价技术研究范围有了很大 的拓宽。鉴于世界各国缺陷评定规范的迅速发展，i n t e m a t i o n a lj o u r n a lo f p r e s s u r ev e s s e l a n dp i p i n g 期刊于2 0 0 0 年发表了一个专刊，题名为“缺陷评定方法 ，介绍了国际上十 个缺陷评定规范的进展，其中主要包括：1 、欧洲工业结构完整性评价方法( s i n t a p ) ； 4 第一章绪论 一 2 、英国含缺陷结构的完整性评价标准( r 6 ) ；3 、英国标准b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 “金属结构中 缺陷验收评定方法导则”；4 、美国石油学会标准a p ir p5 7 9 ：1 9 9 9 “适用性评价推荐方法”。 1 2 3 国内的研究现状 我国的安全评定技术的发展大致可以分为两个阶段： 第一阶段： 从7 0 年代开始对压力容器缺陷的评定方法研究。经过1 0 多年的努力，积累了大量 数据，提出论文近4 0 0 篇，并在1 9 8 4 年由中国机械工程学会压力容器分会及中国化工 学会机械自动化分会颁布了指导性的压力容器缺陷评定规范( c v d a 8 4 ) ，它基本上 反映了当时我国的研究成果和技术水平，得到了企业、研究所和政府部门的支持，并在 全国广泛应用。实践证明，c v d a 8 4 是一个安全的工程方法，在我国的压力容器安全 评定中起到了重要作用，取得了巨大的社会经济效益【l 钔。 c v d a 8 4 断裂评定的技术路线是c o d 设计曲线法。它和b sp d 6 4 9 3 1 9 8 0 及 j w e s 2 0 8 5 k - 1 9 7 6 的技术路线相似。但c v d a 8 4 的c o d 曲线提高了在e e 。i1 ( s 为 应变，g 、，为屈服应变) 附近的安全裕度【l 5 1 。 第二阶段： 从8 0 年代中期开始，特别是通过“八五”期间的国家重点科技攻关课题的研究，较 成功地解决了关于在役含缺陷压力容器安全评定中的路线、程序、技术以及方法等一系 列难题，较好地处理了继承和发展，跟踪和创新等关系，研究和编制了具有9 0 年代初国 际先进水平，有的方面居国际领先地位的在役含缺陷压力容器安全评定规程( s a p v - - 9 5 ) ，它是我国压力容器安全评定技术发展史上又一个重要的研究成果。 我国的最新研究进展： 2 0 0 4 年1 2 月2 9 日，在吸收国内外研究成果的基础上，我国发布了g b t1 9 6 2 4 - 2 0 0 4 在用含缺陷压力容器安全评定1 1 6 1 ，这是我国正式颁布的第一部含缺陷压力容器安全 评定国家标准。依据“合于使用”和“最弱环”原则，用于判别在用含缺陷压力容器在 规定的使用工况条件下能否继续使用。本论文2 1 3 中给出了该标准提供的评价方法。 1 2 4 失效评定图技术及其研究进展 1 ) 失效评定图 目前，对于含裂纹结构的剩余强度评价，国际上普遍采用失效评定图技术。失效评 定图技术又称双判据法，最早由英国中央电力局( c e g b ) 的b o w l i n g 和t o w n l e y 等人 于1 9 7 8 年提出。目前，这一技术己成为被普遍接受的适用性评价的基本思路和主要方法。 结构在承受外载时，可能有两种破坏形式，即流变应力控制的塑性失稳和用线弹性 断裂力学分析的脆性断裂。多数情况下，可能的破坏状态介于上述两种极端状态2 _ n 【1 7 o 脆性断裂判据为 西安石油大学硕士学位论文 k lsk l c 式中，k ，为应力强度因子；k ，c 为材料的断裂韧性。 塑性失稳判据为 仃o - _ ， ( 1 - 2 ) 式中，o - ，为材料的流变应力；o - 为结构承受的应力。 而两种极端状态的过渡区，根据窄带屈服模型( d m 模型) 有 万= 8 a o - ，( r o e ) 。l n s e c x o - ( 2 0 - 棚 ( 1 - 3 ) 式中，艿为裂纹尖端张开位移；a 为裂纹尺寸。 根据断裂力学原理又有 。 & = k 嘉p ，e ) ( 1 - 4 ) a = k ；( 刀o - 2 ) ( 1 - 5 ) 将式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) 代入式( 1 3 ) 中，便得到临界状态万= 6 c 时的表达式 万2 k ，c 2 盯2 ( 8 k ，2 仃，2 ) = l n s e c t r o - ( 2 0 - ，) ( 1 - 6 ) 缺陷尺寸 i k i 解断裂韧性失效评定曲线 k r 。脆性断裂 不安全区 z i 套 f l r 极限载荷解流变性能 缺陷尺寸 图1 1 失效评定图 令k ，= k ，k 庀，l ，= o - o - ，代入式( 1 - 6 ) 得 第一章绪论 k ，= l r ( 8 z2 ) l n s e c q r l ，2 ) 1 1 72 ( 1 - 7 ) 由式( 1 - 7 ) 可以做出失效评定图( f a d ) ( 见图1 1 ) 。 采用失效评定图对结构进行适用性评价时，将计算得到的评价点描于f a d 图上。如 果评价点位于由失效评定图的坐标轴和失效评定曲线所构成的区域内，则认为结构是安 全的，否则认为缺陷不能接受。 2 ) 失效评定图技术的研究进展 目前世界多数国家采用了r 6 第三版的选择1 ( 或称国际通用失效评定曲线) k ，= ( 1 一o 1 4 l 2 r ) 0 3 + o 7 e x p ( 一0 6 5 l ：) 】，如a p ir p5 7 9 水平2 、b s7 9 1 0 水平2 和p d6 4 9 3 选择3 的通用失效评定曲线均采用了这一曲线。我国在八五期间对我国压力容器用钢的 母材、焊缝、各种试板、容器、焊接接头、各种穿透裂纹和表面裂纹、高应变区裂纹、 应变时效或温度影响下的严格的j 积分失效评定曲线8 0 0 多条与r 6 通用失效评定曲线 进行了对比，说明在绝大多数情况下i m 通用失效评定曲线是保守的，虽然在个别情况 下个别的严格失效评定曲线会比r 6 通用失效评定曲线要低一点。由于8 0 0 多条曲线的 下包络方程k ，= ( 1 0 2 1l p 3 2 ) o 1 + 0 9 e x p ( 1 1 7 2 三1 ，0 4 ) 】在厶1 的范围内与通用失效评 定曲线的误差( 以载荷计) 均不大于1 0 ，因此我国的s a p v 一9 5 也采用了r 6 通用失 效评定图作为常规评定的技术依据 1 8 o2 0 0 0 年欧洲委员会发表的s i n t a p 共分为七个 分析级别，其中第0 级( d e f a u l tl e v e l ) 对于无屈服平台的连续屈服材料的失效评定曲线 为：k ，= ( 1 + o 5 e ) 一化 o 3 + 0 7 e x p ( 一0 6 l 6 ，) ，2 0 0 1 年颁布的r 6 第四版【1 9 l 选择1 的失效 评定曲线也由这条曲线代替了原通用失效评定曲线。 近些年来我国科研人员对失效评定图技术进行了大量的研究，取得了可喜的成果。 王威强等怛叫对缺i ：3 结构f a d 进行了研究，较全面地研究了缺口根部曲率半径、缺1 ：3 长 度、缺口端部椭圆率以及试样类型、材料等对失效评定图的影响。提出了钝裂纹或缺口 应力强度因子修正方法，通过这一修正方法建立的失效评定图可有效地消除缺口因素对 失效评定图的影响。金志江眩推导了压力容器高应变区准三维模型的分段弹塑性j 积 分工程估算公式，由此建立了高应变区失效评定曲线，并与二维模型及r 6 选择1 曲线做了 比较。轩福贞等眩2 3 针对高温含缺陷结构的稳态蠕变情况，建立了一个与时间相关的失 效评定图。帅健等眩如提出了可靠性指标的计算方法，研究了可靠性指标的影响因素及变 化规律，提出了失效评定图中的等可靠性指标线的概念。王晓春等【2 4 , 2 5 】在i i i 复合型 裂纹韧性断裂研究的基础上，对建立倾斜裂纹的失效评定图作了初步尝试。 1 2 5 疲劳寿命预测方法的研究现状 疲劳寿命预测通常是以p a r i s 公式为基础的，在赵 似，。的条件下( 必，。为疲劳裂 纹扩展门槛值，材料性能参数) d a d n = c ( a x ) 卅 ( 1 - 8 ) 西安石油大学硕士学位论文 式中c 和m 是材料性能参数，口是裂纹尺寸，是疲劳应力循环周次，a k 是疲劳 应力引起的应力强度因子范围。由p a r i s 公式可以导出 n f = 娶( 1 c ) ( a k ) “d a ( 1 - 9 ) 式中n ，为裂纹由初始尺寸口；长大到临界尺寸口，( 以，由含有缺陷结构的损伤容限确 定) 的应力循环周次，即疲劳寿命，是可以通过数值积分得到的。若似 赵胁，则d a m n = 0 ，可以认为具有无限疲劳寿命。 2 0 0 0 年颁布的b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 推荐了新的疲劳裂纹扩展率。采用了基于近年来大量钢 材在空气及海水中疲劳裂纹扩展试验数据取得的更为精确的两段p a r i s 关系式和应力比 r 的修正法等。还考虑环境的影响，给出了在海水环境中有阴极保护和无阴极保护时的 新推荐方法，在较高温度下的疲劳裂纹扩展等。为了方便，同时也给出了新的、简化的、 保守的( 包络线) 单段p a r i s 关系，实验的应力比尺0 5 ，以给出保守的焊接接头疲劳 裂纹扩展分析结果。 近年来国内科研人员在剩余寿命预测方面也进行了大量的研究。范志超眩刚对1 6 m n r 进行了一系列的中温环境下的应力控制的低周疲劳试验和抗硝酸盐应力腐蚀试验，建立 了典型中温环境下1 6 m n r 钢的低周疲劳寿命预测方法、低周疲劳设计曲线及低周疲劳 损伤力学模型。段权等眩7 3 通过1 6 m n r 压力容器热轧钢板三点弯曲试样的低周疲劳实验 数据，定义疲劳裂纹扩展过程中，裂纹从线性扩展规律转变为非线性扩展规律的转折点 寿命为裂纹萌生寿命，相应的裂纹转折长度为裂纹的萌生尺寸，从而提出一种新的疲劳 裂纹萌生寿命指标，由于该指标具有分散性，他们引入对裂纹萌生寿命及尺寸的概率定 义。林晓斌眩8 1 发展了一种能自动模拟任意面形裂纹疲劳扩展的计算技术，该技术基于 三维有限单元法和p a r i s 疲劳裂纹扩展速率方程，并具有网格随裂纹扩展重新自动生成 的能力。 另外，近年来概率方法和智能方法在疲劳寿命预测中应用较为广泛，国内不少学者进 行了此方面的研究。陈裕等眩9 1 对1 6 m n r 钢焊接接头焊缝区、热影响区和母材区做了低 周疲劳试验，获得了三个区的低周疲劳寿命分布与裂纹扩展规律，根据统计结果，采用 m o n t e - c a r l o 法对给定的两个裂纹长度间的扩展寿命进行了预测，并初步提出了整个焊 接接头的可靠性最弱环模型。戴树和等【3o ，3 1 1 研究了在役压力容器的疲劳事件进行预测的 模糊方法和基于人工神经网络专门学习系统的含缺陷结构疲劳寿命计算，并应用模糊集 理论进行了焊接结构对疲劳性能影响的模糊综合评判。 1 3 本论文主要研究内容 本论文是中国石油天然气集团公司2 0 0 3 年重点技术开发项目“大型储罐安全评定方 法研究与软件开发 中的一个研究专题，重点研究大型常压储罐罐壁裂纹的评定方法， 第一章绪论 主要研究内容如下： ( 1 ) 几种含缺陷结构失效评定方法的分析与比较。从工业背景、分析评定方法、应 力强度因子和参考应力的计算、分安全系数的确定、韧性比及二次应力的处理、残余应 力的计算等方面对国内外四个最具代表性的评定标准或规范进行了比较。通过比较分析， 提出储罐失效评定相适用的主体技术。 ( 2 ) 储罐材料失效评定曲线的试验研究。采用r 6 选择3 方法，通过试验研究，建 立了1 6 m n r 、2 0 r 和q 2 3 5 b 三种储罐材料的通用失效评定曲线。 ( 3 ) 借鉴a p ir p5 7 9 ：2 0 0 0 的评定技术，系统提出了含裂纹大型常压储罐的剩余强 度评价方法。 ( 4 ) 含裂纹储罐疲劳寿命预测模型及方法研究。 西安石油大学硕士学位论文 第二章几种含缺陷结构失效评定技术的分析与比较 本章介绍了国际上在含缺陷结构失效评定技术方面最具代表性的三个标准或规范 ( c e g br 6 r e v 3 、b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 和a p ir p5 7 9 ：2 0 0 0 ) 以及我国最新的在用含缺陷压力 容器评定标准( g b f f1 9 6 2 4 2 0 0 4 ) 提供的评定方法。分别从工业背景、分析评定方法、 应力强度因子和参考应力的计算、分安全系数的确定、韧性比及二次应力的处理、残余 应力的计算等方面对上述四个标准或规范进行了分析比较，力求找出储罐失效评定相适 应的主体技术。 2 1 评价方法简介 2 1 1c e g br 6 r e v 3 “含缺陷结构的完整性评价标准”【1 0 】 含裂纹体的失效可能是由于裂纹断裂破坏引起的，也可能是由于非裂纹区域材料( 韧 带) 发生塑性极限强度破坏引起的，特别是韧性好的材料这两种破坏都有可能发生，均 应进行校核。英国中央电力局( c e g b ) 的r 6 方法采用k ，与三，两个参量来描述从其开 裂到塑性失稳全过程，并以缺陷评定标准形式公布。其主要内容为：按照线弹性断裂 力学准则确定裂纹体的断裂应力盯k 或断裂载荷斥：按照塑性极限分析理论确定塑性 极限应力盯，或塑性极限载荷卫；在这两种极限情况之间的过渡区中，有三种内插曲 线选择。 ( 1 ) 选择1 通用曲线( g e n e r a lc u r v e ) 考虑了材料的应变硬化性能，是一条可用于各种钢材的通用失效评定曲线。k ，与三， 有下列函数关系 k ，= ( 1 一o 1 4 l 2 , ) 0 3 + o 7e x p ( 一0 6 5 l ：) 】 ( 2 - 1 ) 式中，厨为韧性比，k ，= k ，k 圮；l r 为载荷比，定义为外加载荷与失稳载荷之比。 上式适用于无屈服间断的各种材料，适合于各种形状和尺寸的结构与缺陷。当给定 三，后，便可由上式计算出k ，。以k ，为纵坐标，三，为横坐标绘出曲线如图1 1 所示。对 于具有裂纹的结构，如果能够计算出k ，和三，则在失效评定曲线上找出相应的坐标点 ( l ，k ，) ，此点称为评定点。如果评价点位于由失效评定图的坐标轴和失效评定曲线 所构成的区域内，则认为结构是安全的，否则认为缺陷不能接受。 ( 2 ) 选择2 材料特性曲线( m a t e r i a l s p e c i f i cc u r v e ) 根据材料的真应力应变关系来建立失效评定曲线，比选择1 有更高的准确性，其表 达式为 耻( 鲁+ 薏一心 ( 2 2 ) 式中，占。r 为材料单轴拉伸真应力一应变曲线上与参考应力o r e f ( 万可= l r c r ，) 相对应的参考 1 0 第二章几种含缺陷结构失效评定技术的分析与比较 应变。 上式只与材料的特性有关，与结构的特性无关，只要知道材料的真应力。应变曲线就 可以使用( 真应力吼和真应变占，可以根据仃，= ( 1 + s ) 仃和毛= l n ( 1 + 占) 从工程应力应变曲 线上求得，推荐工程应力应变曲线由下列施加载荷和屈服强度的比值精确确定： 仃仃、，- - 0 7 ，0 9 ，0 9 8 ，1 0 ，1 0 2 ，1 1 ，1 2 ，并以0 1 的间隔递增至屈服强度盯，) 。 ( 3 ) 选择3 j 积分曲线( c u r v eo b t a i n e du s i n gaj - i n t e g r a la n a l y s i s ) 根据含缺陷结构的j 积分建立失效评定曲线，其表达式为 k ，= 少万 ( 2 3 ) 这是最科学和最严格的失效评定曲线，要求根据材料本构关系、裂纹几何及加载形 式计算，积分及其弹性分量，。因不少结构没有现成的，积分解，而计算工作量很大， 有时很难实现。 r 6 r e v 3 第1 及第3 类方法不仅可用于裂纹是否起裂的评定，也可用于分析裂纹稳 定扩展至失稳扩展的全过程。r 6 r e v 3 还考虑二次应力的影响，在二次应力存在时评定 仍采用无二次应力存在时的失效评定曲线，推出一个用塑性修正因子p 补偿的工程方法， 根据推导结果并经适当简化后给出按二次应力强度因子与机械载荷应力强度因子之比值 及机械载荷接近塑性屈服载荷三，确定p 的图表。 2 1 2b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 “金属结构中缺陷验收评定方法导则”【1 2 】 b s7 9 1 0 是英国标准委员会在1 9 9 9 年底公布的最新完整版英国标准，是在使用了2 0 余年的p d6 4 9 3 及其发展版本的基础上建立的。分为三级评定。 ( 1 ) 水平1 简化评定( s i m p l i f i e da s s e s s m e n t ) 当不知道材料性能或承载情况时，可采用简化评定方法。包含两种方法：水平l a 和水平1 b 。对施加载荷、残余应力和断裂韧性进行了保守估计。不使用分安全系数。 l 。 o i8 0 。￥ 属曲_ b 0 。4 0 2 0 00 。20 。40 60 。8 1 0 & 图2 1b s7 9 1 0 水平1 a 的简化失效评定图 西安石油大学硕士学位论文 水平1 a ( g e n e r a l ) 失效评定图见图2 - 1 。由坐标轴和评定曲线围成一个矩形。当k ，或者万，小于1 2 ( 即0 7 0 7 ) 且s ，小于0 8 时，缺陷是可以接受的。这一失效评定图包含了一个约为2 的安全系数。 水平1 b ( m a n u a le s t i m a t i o n ) 定义参数万为在无限远处承受拉力的无限大板上的穿透裂纹的裂纹半长，通过计算 最大许可缺陷值瓦可以对许可裂纹尺寸进行评估。标准中分别给出了查取表面裂纹和埋 藏裂纹等价缺陷尺寸万的图，还分别给出可以估算断裂韧性k 。讲或万删时的瓦的计算公 式。 ( 2 ) 水平2 常规评定( n o r m a la s s e s s m e n t ) 包含两种方法：水平2 a 和水平2 b 。 1 2 1 0 o 8 二 茁，o 6 o 4 0 2 0 1 2 1 o 0 8 足，0 6 0 4 o 2 0 00 20 40 6 0 8 1 0 矿1 4 1 6 上r ( b ) 图2 - 2b s7 9 1 0 水平2 的f a d 第二章几种含缺陷结构失效评定技术的分析与比较 水平2 a ：通用失效评定曲线( g e n e r a l i z e df a d ) 水平2 a 采用的通用失效评定曲线同r 6 r e v 3 选择1 中的通用曲线相一致。万，或k ， 与三，有下列函数关系： 瓯或k ，= ( 1 一o 1 4 l 2 r ) 0 3 + 0 7 e x p ( - 0 6 5 三6 ，) ( 2 - 4 ) 水平2 b ：材料特性曲线( m a t e r i a l s p e c i f i cc u r v e ) 水平2 b 采用的材料特性曲线同r 6 r e v 3 选择2 中的材料特性曲线相一致。4 或k ， 与三，有下列函数关系 府弘( 鲁+ 等) - l 坨 协5 ， 典型的失效评定图和与之相关的应力应变曲线分别见图2 2 a 和图2 2 b 。 为了保证结果的可靠性，对于缺陷尺寸、应力、屈服强度和断裂韧性分别应用分安 全系数。对于裂纹尺寸，无论是单个裂纹还是相互影响的裂纹群均应当乘以分安全系数。 ( 3 ) 水平3 延性撕裂评定( d u c t i l et e a r i n ga s s e s s m e n t ) 包含三种方法：水平3 a 、水平3 b 和水平3 c 。 1 4 1 2 士0 矿0 8 y o i6 0 4 o 2 0 上， 图2 - 3 水平3 c 失效评定图( 包含已知裂纹的评价点曲线) 水平3 a ：水平2 a 的广义失效评定图( g e n e r a l i z e df a d o f l e v e l2 a ) 失效评定图同水平2 a 相同。水平3 a 的失效评定图低估了裂纹容限，当应力应变曲 线的初始硬化量比较高时，低估的值将过大。在这一情况下，应考虑水平3 b 。当材料有 不连续的屈服点时，水平3 a 应限制在l ，1 0 ，或者使用水平3 b 进行评定。 水平3 b ：材料特性曲线( m a t e r i a l - s p e c i f i cc u r v e ) 材料特性曲线从水平2 b 获得。需要知道材料的应力应变曲线，特别是当应变小于 1 时。这一曲线适合于所有材料。 西安石油大学硕士学位论文 水平3 c ：j 积分曲线( j i n t e g r a lc u r v e ) 水平3 c 采用的j 积分曲线同r 6 r e v 3 选择3 相一致。根据含缺陷结构的j 积分建立 失效评定曲线，其表达式为 k ，= 扣万 ( 2 6 ) 典型的j 积分曲线见图2 3 。 以和均应当通过计算机程序进行分析，必须精确地知道材料的真应力应变曲线。 2 1 3g b f r1 9 6 2 4 2 0 0 4 “在用含缺陷压力容器安全评定， 1 6 l 我国于2 0 0 4 年1 2 月2 9 日发布了g b t1 9 6