王朝明

（瀘州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，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，所以需要進行必要的應(yīng)力分析以及安全性評價。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，并且通過實驗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)值模擬的方法進行含缺陷壓力容器應(yīng)力參數(shù)的計算，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需要以及相應(yīng)的評價方法，采用成熟、可靠的方法計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

含缺陷壓力容器安全性評價所需要的基礎(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；材料的化學成分、力學和斷裂韌度性能數(shù)據(jù)，由載荷引起的應(yīng)力以及殘余應(yīng)力。其中超標缺陷是指超過壓力容器制造或者驗收標準及其法規(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》進行含缺陷壓力容器安全性評價除了應(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方面分析安全評價的方法：

2.1 斷裂失效評價

含缺陷壓力容器斷裂評定是只采用斷裂力學分析的方法，評價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。進行斷裂失效評價主要包括平面缺陷、非平面缺陷以及形狀缺陷這三大類型。在具體評價時，按照《在用含缺陷壓力容器安全評定》中的有關(guān)規(guī)定對實測的平面缺陷進行規(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

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行假設(shè)，以實際材料的屈服強度和抗拉強度的平均值作為材料的流變應(yīng)力進行計算，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行假設(shè)，以實際材料屈服強度進行計算，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

含缺陷壓力容器疲勞失效評定是指評價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，首先依據(jù)疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端應(yīng)力強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、疲勞裂紋的計算，免于疲勞評定的判別、疲勞裂紋擴展量的計算、允許裂紋尺寸的計算和安全性評價。

含缺陷壓力容器在安全性評價完成以后，相關(guān)的評價單位應(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，及時整理出一套系統(tǒng)完備的安全性評價報告，在報告中要有含缺陷壓力容器的設(shè)計、制造、安裝以及使用等基本情況以及缺陷檢驗數(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結(jié)論以及后續(xù)使用過程中的注意事項。含缺陷壓力容器安全性評價方法的選擇應(yīng)該以避免在規(guī)定工況下安全評價期內(nèi)發(fā)生各種失效模式而導致事故的可能為原則，并且每一種評價方法只能針對相應(yīng)的失效模式進行評價?？傊挥袑Ω鞣N可能引起含缺陷壓力容器失效的模式進行科學合理判斷或者評價以后，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構(gòu)的應(yīng)力分析以及安全性評價的標準和經(jīng)驗來判斷其失效模式。評價的含缺陷壓力容器或者結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)和檢驗資料、使用工況以及對缺陷的理論檢驗和物理診斷結(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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