王朝明

（瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 瀘州 646000）

1 含缺陷壓力容器應(yīng)力分析

壓力容器是工業(yè)生產(chǎn)中常用的設(shè)備，但是由于受到使用環(huán)境的影響，不可避免的會產(chǎn)生一些裂紋或者不同程度的缺陷，帶著這些缺陷長期在惡劣的工作條件下使用就非常容易產(chǎn)生破壞性的安全事故，所以需要進(jìn)行必要的應(yīng)力分析以及安全性評價(jià)。在含缺陷壓力容器的應(yīng)力分析中，主要是研究應(yīng)力沿容器壁的分布規(guī)律以及大小，即均勻分布、線性分布以及非線性分布，并且通過實(shí)驗(yàn)得到含缺陷壓力容器的一次膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力以及二次應(yīng)力和由局部或者總體不連續(xù)性或者錯邊造成的一次應(yīng)力的放大倍數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)資料，然后利用應(yīng)力分析軟件輸入這些數(shù)據(jù)資料對含缺陷壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析。含缺陷壓力容器通過建立有限元模型，定義材料的屬性以及約束條件，并且施加載荷求解，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到壓力容器的應(yīng)力分析結(jié)果。用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行含缺陷壓力容器應(yīng)力參數(shù)的計(jì)算，還需要輸入材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系、彈性模量以及泊松比等參數(shù)，此外還應(yīng)該考慮各種可能的荷載，并根據(jù)具體失效模式的安全評價(jià)需要以及相應(yīng)的評價(jià)方法，采用成熟、可靠的方法計(jì)算含缺陷壓力容器應(yīng)力分析中所需的參數(shù)。

2 含缺陷壓力容器安全性評價(jià)

含缺陷壓力容器安全性評價(jià)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括缺陷的類型、尺寸以及位置、結(jié)構(gòu)和焊縫的幾何形狀和尺寸；材料的化學(xué)成分、力學(xué)和斷裂韌度性能數(shù)據(jù)，由載荷引起的應(yīng)力以及殘余應(yīng)力。其中超標(biāo)缺陷是指超過壓力容器制造或者驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及其法規(guī)、規(guī)章所規(guī)定的允許尺寸的缺陷。含缺陷壓力容器的安全評價(jià)要根據(jù)國家頒布的《在用含缺陷壓力容器安全評定》，依據(jù)合乎使用，最弱環(huán)的原則，用更加客觀、科學(xué)的方法判斷在用含缺陷壓力容器在規(guī)定的使用工況條件下能否繼續(xù)安全使用。在采用《在用含缺陷壓力容器安全評定》進(jìn)行含缺陷壓力容器安全性評價(jià)除了應(yīng)該遵循相應(yīng)的規(guī)定外，還應(yīng)該遵守國家有關(guān)部門頒布的相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)章制度。以下就從含缺陷壓力容器的斷裂失效、塑性失效以及疲勞失效三個(gè)方面分析安全評價(jià)的方法：

2.1 斷裂失效評價(jià)

含缺陷壓力容器斷裂評定是只采用斷裂力學(xué)分析的方法，評價(jià)含缺陷壓力容器和結(jié)構(gòu)能否排除斷裂失效的安全評定。進(jìn)行斷裂失效評價(jià)主要包括平面缺陷、非平面缺陷以及形狀缺陷這三大類型。在具體評價(jià)時(shí)，按照《在用含缺陷壓力容器安全評定》中的有關(guān)規(guī)定對實(shí)測的平面缺陷進(jìn)行規(guī)則化表征處理，將缺陷表征為規(guī)則的裂紋狀表面缺陷、埋藏缺陷或者穿透缺陷，表征后含缺陷壓力容器的裂紋形狀為橢圓形、圓形、半橢圓形或者矩形。表征裂紋尺寸應(yīng)該根據(jù)具體缺陷情況向缺陷外接矩形之高和長來確定。對于穿透裂紋其長度為半長，二維缺陷為橢圓化后短軸長度的一半，即表面裂紋的深度、埋藏裂紋自身高度的一半或者角裂紋沿接管壁的深度，缺陷外接矩形之長邊應(yīng)該與鄰近的殼體表面平行。

2.2 塑性失效評價(jià)

含缺陷壓力容器塑性失效評定是指采用塑性極限分析的方法，即使用塑性極限載荷以及塑性屈服載荷來評價(jià)含缺陷壓力容器和結(jié)構(gòu)能否排除塑性失效的安全評定。其中含缺陷壓力容器的塑性極限載荷是按照理想塑性對材料進(jìn)行假設(shè)，以實(shí)際材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值作為材料的流變應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，所得到的結(jié)果即為含缺陷壓力容器所能承受的最大載荷。塑性屈服載荷同樣是按照理想塑性對材料進(jìn)行假設(shè)，以實(shí)際材料屈服強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，所得到的結(jié)果即為含缺陷壓力容器所能承受的最大載荷。

2.3 疲勞失效評價(jià)

含缺陷壓力容器疲勞失效評定是指評價(jià)含缺陷壓力容器和結(jié)構(gòu)在預(yù)期疲勞載荷的作用下，在所要求的繼續(xù)使用期內(nèi)能否排除疲勞失效的安全評定。含缺陷壓力容器的疲勞評價(jià)，首先依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅度的關(guān)系，確定在規(guī)定的循環(huán)周期內(nèi)疲勞裂紋的擴(kuò)展量和最終尺寸，然后根據(jù)所給出的判別條件和方法，來判斷該平面缺陷是否會發(fā)生疲勞裂紋。含缺陷壓力容器的缺陷疲勞評價(jià)的具體步驟包括缺陷的表征、應(yīng)力變化范圍的確定，材料性能數(shù)據(jù)的確定、疲勞裂紋的計(jì)算，免于疲勞評定的判別、疲勞裂紋擴(kuò)展量的計(jì)算、允許裂紋尺寸的計(jì)算和安全性評價(jià)。

含缺陷壓力容器在安全性評價(jià)完成以后，相關(guān)的評價(jià)單位應(yīng)該依據(jù)國家頒布的法律法規(guī)以及《在用含缺陷壓力容器安全評定》中的有關(guān)規(guī)定，及時(shí)整理出一套系統(tǒng)完備的安全性評價(jià)報(bào)告，在報(bào)告中要有含缺陷壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、安裝以及使用等基本情況以及缺陷檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)力狀況、測試分析結(jié)果，并且要明確指出含缺陷壓力容器的評價(jià)結(jié)論以及后續(xù)使用過程中的注意事項(xiàng)。含缺陷壓力容器安全性評價(jià)方法的選擇應(yīng)該以避免在規(guī)定工況下安全評價(jià)期內(nèi)發(fā)生各種失效模式而導(dǎo)致事故的可能為原則，并且每一種評價(jià)方法只能針對相應(yīng)的失效模式進(jìn)行評價(jià)。總之只有對各種可能引起含缺陷壓力容器失效的模式進(jìn)行科學(xué)合理判斷或者評價(jià)以后，才能判斷含缺陷壓力容器在規(guī)定的使用工況條件下能否繼續(xù)安全使用。

結(jié)束語

綜上所述，含缺陷壓力容器應(yīng)力分析及安全性評價(jià)關(guān)系到設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)的安全和質(zhì)量。對于出現(xiàn)裂紋和缺陷的壓力容器需要根據(jù)同類型的壓力容器或者機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分析以及安全性評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)來判斷其失效模式。評價(jià)的含缺陷壓力容器或者結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)和檢驗(yàn)資料、使用工況以及對缺陷的理論檢驗(yàn)和物理診斷結(jié)果，并且對可能存在的腐蝕條件、應(yīng)力分析、高溫環(huán)境等情況對含缺陷壓力容器帶來的影響進(jìn)行綜合評定，更加客觀的確定含缺陷壓力容器在規(guī)定的使用工況條件下能否繼續(xù)安全使用。

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