容器的防脆断设计及缺陷评定

容器的防脆断设计及缺陷评定机研1302李嘉平2013200643一、容器的低应力脆断问题现在状况，一些容器在水压试验时就发生破坏，还有一些是在运行多年后在工作压力下发生破坏。

而这些破坏大体具有一些特点：1、破坏压力基本上低于容器的整体屈服压力，更明显低于理论计算的爆破压力，因而属于低应力破坏；2、破坏时可能只沿焊缝裂开一条不太宽的缝，也可能裂成一些碎片发出，，呈现脆性破坏的特征；

因此习惯上称这种破坏为“低应力脆断”。

一、容器的低应力脆断问题

压力容器发生低应力脆断的原因：主要是因为焊缝中存在明显的宏观缺陷。

缺陷的一般来源：1、制造中形成的焊接缺陷；2、使用中形成的裂纹。

由此可见，裂纹是导致压力容器发生低应力脆断的重要原因。一、容器的低应力脆断问题低应力脆断不仅在压力容器上发生，在船只、桥梁及其他焊接结构上也大量发生低应力脆断事故。引起重视20世纪70年代，相继出现许多规范在设计时考虑，制定出“防脆断设计”规范针对在役容器的缺陷如何做安全评价的“缺陷评定”二、断裂力学的基本理论断裂力学所要解决的主要问题：

首先是研究裂纹尖端附近的高度集中地应力场和应变场；

然后，导出裂纹体在受载条件下裂纹附近应力应变场的特征量，同时与材料某种性能参量相关联；

最后，建立裂纹体断裂的判别条件。

二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论带裂纹的结构可区分为三种基本载荷的加载形式：张开型、剪切型和撕裂型。

最常见的是Ⅰ型即张开型裂纹。

线弹性断裂理论是假定材料只符合弹性行为（胡克定律），不会出现屈服现象。其中最重要的是应力强度因子理论。二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论2、断裂韧性当裂纹尺寸一定时，KⅠ值随载荷应力的增大而增大。当KⅠ增大到某一程度时，裂纹开裂，进入随应力增大而裂纹继续扩展的稳定扩展阶段，最终将发生突然地不可控制的快速断裂，即失稳断裂。

实验证明材料均由自身发生裂纹失稳断裂的KⅠ最低值，称为“临界应力强度因子KⅠc”。它是材料抗裂纹断裂韧性的反映，也称为材料的“断裂韧性”二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论材料的KⅠc值越高说明抗断裂的韧性越好，越不容易发生低应力断裂。因此断裂韧性便成为衡量材料韧性与脆性的重要力学性能新指标。

注意KⅠ和KⅠc的区别，前者是裂纹尖端附应力强度参量，与材料无关，而后者是材料的性能。

但当KⅠ=KⅠc时意味着要发生失稳断裂。二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论由上式可知，材料的断裂韧性KⅠc越高，发生脆断的应力也越高，或发生脆断的裂纹尺寸可越大。一般说材料强度级别越高，则KⅠc值越低，发生脆断的可能性越大。

必要时可选用强度低一些的材料，以保证材料的韧性较好，从而提高防脆断的安全性。（也可用热处理）二、断裂力学的基本理论

（一）线弹性断裂理论4、线弹性断裂理论的适用范围只适合于裂纹尖端附近很小区域的近似解。

塑性区的尺寸大体上只是裂纹半长a的1/10，符合这个条件的称为“小范围屈服”。适用范围二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论（1）D-M模型解

对于无限板中长为2a的穿透裂纹，在单向均匀受拉及平面应力条件下，COD解可借助D-M模型求解。D-M模型：①假设裂纹尖端的塑性区为窄条状，材料符合理想塑性规律；②假定条状塑性区挖去而代之以屈服应力均布作用在塑性区边界上，以代替塑性区的作用使裂纹闭合。这样2a的裂纹变成了2c的假定裂纹。二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

二、断裂力学的基本理论

（二）弹塑性断裂理论

三、压力容器的防脆断设计方法

三、压力容器的防脆断设计方法

三、压力容器的防脆断设计方法

三、压力容器的防脆断设计方法

四、在役容器的缺陷评定按容器制造标准一般不许存在裂纹，但对在役适用的容器一旦发现裂纹，若按质量控制标准立即报废或动火修补焊接，往往带来巨大的直接或者间接地经济损失，修补不当反而增加新的潜在危险。只有采用断裂力学方法作安全评定，既保证安全又可获得很大经济效益。根据探伤实测到的缺陷形状与尺寸来评定是否可继续使用，或降压使用、修补后使用、报废等。四、在役容器的缺陷评定

（一）BSIPD6493的评定方法

四、在役容器的缺陷评定

（一）BSIPD6493的评定方法

四、在役容器的缺陷评定

（一）BSIPD6493的评定方法

四、在役容器的缺陷评定

（一）BSIPD6493的评定方法

四、在役容器的缺陷评定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷评定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷评定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷评定

（二）CVDA方法（4）缺陷的规则化处理对于非穿透性裂纹一般用外接矩形作为椭圆形埋藏裂纹或半椭圆表面裂纹的界限。当表面裂纹的深度a>0.7t时应视为穿透裂纹来评定。规则化处理也包括缺陷群的处理。（5）断裂韧性选取断裂韧性值时，应结合实际情况，充分考虑材料化学成分、冶金和工艺状态等因素对断裂韧性的影响。四、在役容器的缺陷评定

（二）CVDA方法（6）评定的一般程序用无损检测或用其他方法求得缺陷几何和计算尺寸；确定缺陷部位（在缺陷不存在时）的应力和应变；确定缺陷部位有关材料性能的数据；计算最大允许缺陷尺寸；评定缺陷是否允许或是否需要返修。

缺陷评定工作涉及到权威、经验和体制。四、在役容器的缺陷评定

（三）缺陷评定规范的发展进入20世纪80年代之后，J积分以其理论的严密性而确立了地位。

美国电力研究院

实现了J积分计算的工程化另一方面，英国中央电力局在20世纪70年代就倡导发展了失效评定图。最后导出以J积分理论为基础的失效评定图（J-FAD）,这一成果体现在英国伯克莱核电研究所编制的R6第三版中。四、在役容器的缺陷评定

（三）缺陷评定规范的发展在英国R6规程的失效评定图中，纵坐标Kr越接近1则表示越接近发生脆断。横坐标Lr越接近1则表示已很接近极限载荷。评定时只需要按规程计算出Kr和Lr值，即可在图中确定出评定点的位置。

落在曲线下方表示不会发生失效。

评定点离原点越近越安全，越靠近纵轴则预示越易发生脆断失效，而靠横坐标越近，预示结构越易发生塑性失稳失效。四、在役