唐 毅 王 琪 孫海濤 李平仁 喬 維 桂 春

1（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中廣核核電運營有限公司 深圳 518001）3（核與輻射安全中心 北京 100020）4（大亞灣核電運營管理有限責任公司 深圳 518001）

含矩形缺陷圓柱形管的剩余強度評定方法

唐 毅1王 琪2孫海濤3李平仁4喬 維1桂 春1

1（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中廣核核電運營有限公司 深圳 518001）3（核與輻射安全中心 北京 100020）4（大亞灣核電運營管理有限責任公司 深圳 518001）

磨損是蒸汽發(fā)生器傳熱管一種常見的缺陷類型，磨損缺陷是影響傳熱管安全性的重要因素之一，需要根據(jù)管材的具體結(jié)構(gòu)尺寸，制定適用的結(jié)構(gòu)完整性評價方法。為了確定含矩形缺陷蒸汽發(fā)生器傳熱管的剩余強度，本文針對含矩形缺陷的傳熱管試樣進行了內(nèi)壓爆破試驗，并依據(jù)試驗結(jié)果檢驗和評價了NB20013、BS7910、API579和Janelle規(guī)定的含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件中剩余強度系數(shù)RSF計算式的精度。分析表明：當缺陷深度比a/t≥70%時，按以上方法評價含缺陷管的安全性時都可能偏于不保守。最后，基于BS7910建立了適用于單個矩形缺陷改進型RSF計算式，其計算值既具有很高的計算精度，又具有滿意的可靠性。

剩余強度，缺陷，圓柱形管，管道，評定方法

承壓設(shè)備和管道在使用過程中，隨著運行時間的延長不可避免地會出現(xiàn)設(shè)備老化和降質(zhì)，其中局部減薄缺陷是一種常見的體積型缺陷，為了確保含缺陷承壓設(shè)備的安全運行以及考慮到維修更換的成本，需要對含局部減薄缺陷部件安全性進行評價。自20世紀60年代工業(yè)發(fā)達國家對含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的合理使用(Fitness-For-Service，F(xiàn)FS)評價方法進行研究，形成了許多FFS評價程序，如ASME B31G、API 579、BS 7910等。近年來，Janelle等[1]對上述幾種標準的評定方法進行研究分析，對縱向缺陷評定方法采用失效壓力比給出了評價，并且提出了一種新的評定方法(以下簡稱Janelle方法)。從評價結(jié)果看出：BS 7910、API 579和Janelle方法的評定精度和可靠性較高，值得關(guān)注和研究。

在對Ф16×1.5不銹鋼蒸汽發(fā)生器傳熱管進行了一系列的內(nèi)壓爆破試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻[2]中Inconel690試驗管爆破試驗結(jié)果，本文分別采用BS 7910、API 579和Janelle方法中1級評定的剩余強度系數(shù)RSF計算式，計算縱向含矩形面積缺陷承壓管的RSF值，檢驗三種RSF計算式的精度，對三種評定方法給出了評價。同時，以BS 7910單個矩形凹坑的剩余強度系數(shù)計算式RSF為基礎(chǔ)，對其鼓脹系數(shù)作了重要修正，建立了改進的RSFLT計算式。

1 含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的剩余強度系數(shù)

1.1剩余強度系數(shù)RSF

含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的失效為塑性失效，其失效壓力Pf可以是構(gòu)件屈服極限載荷Pl、爆破壓力(Pb)，或兩者之間的載荷。含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的失效壓力Pf采用式(1)計算：

式中，Pf0是無缺陷承壓構(gòu)件的失效壓力，RSF是剩余強度系數(shù)。

剩余強度系數(shù)RSF反映了局部減薄缺陷對構(gòu)件強度削弱的程度，在承壓構(gòu)件的幾何尺寸、材料性能和失效載荷定義都相同的條件下，RSF只與局部減薄缺陷的形狀尺寸有關(guān)，而與構(gòu)件失效壓力的定義無關(guān)。RSF的計算式一般都用試驗值進行擬合而得到，含局部減薄缺陷圓柱殼構(gòu)件在爆破失效下的剩余強度系數(shù)RSFb可表示為：

在不同的FFS評定規(guī)范中規(guī)定了不同失效壓力定義下的剩余強度系數(shù)RSF，為了檢驗各種RSF計算式的精確度，本文結(jié)合試驗確定的剩余強度RSFT對各種規(guī)范RSFi計算精度進行了綜合分析。

1.2三種評定方法RSF計算式

缺陷試樣的外徑為Do，壁厚為t，中半徑R，缺陷軸向長度l=2x、深α，詳見圖1。其中，缺陷深度壁厚比α=a/t，缺陷等效半長γ=x/(Rt)0.5。

圖1 矩形缺陷試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of rectangular defect specimen structure.

表1 幾種典型的剩余強度系數(shù)RSF表達式Table 1 Several representative formula of remaining strength factor.

1.3液壓爆破試驗及RSF計算誤差分析

1.3.1 液壓爆破試驗

液壓爆破試驗是一種常用于管道爆破壓力的測試的試驗方法，主要原理是通過內(nèi)壓作用使得試驗管發(fā)生爆破并記錄其報告壓力。這次試驗完成了34個Ф16×1.5不銹鋼管含矩形缺陷試樣的爆破壓力測試，這些試樣缺陷參數(shù)范圍分布在：0.2≤α≤0.8，0.3≤γ<5，試驗測得的剩余強度系數(shù)RSF繪入圖2所示。另外，將文獻[2]測得的10個Ф19.05×1.09 Inconel690試樣的剩余強度系數(shù)也一起納入分析，詳見圖2。

1.3.2 RSF計算誤差分析

為了比較試驗測得的剩余強度系數(shù)RSF與幾種規(guī)范計算剩余強度系數(shù)RSF的誤差，本文采用相對誤差(ER)來表示BS7910、API579及NB/T20013、Janelle方法等規(guī)定的剩余強度計算結(jié)果與試驗結(jié)果偏差，計算結(jié)果詳見圖3(a)所示。其中：

式中，RSFi表示不同規(guī)范的RSF計算式。

圖2 試驗管的剩余強度系數(shù)Fig.2 Remaining strength factor of tube specimens. Note: Specimen type 1 is the RSF of Ф16×1.5 stainless steel tube, Pf0=121.0 MPa, Note 2: Specimen type 2 is the RSF of Ф19.05×1.09 Inconel690 tube, Pf0=67.0–68.0 MPa.

圖3 缺陷深度壁厚比α對剩余強度系數(shù)RSF的影響關(guān)系(a)；缺陷當量γ長度對剩余強度系數(shù)的影響關(guān)系(b)Fig.3 Effect of defect depth ratio on. RSF (a); effect of defect equivalent length on RSF (b).

從圖3(a) 和3(b)可以看出：

(1) 當α≤55%時，BS 7910剩余強度系數(shù)計算式RSFB的精度優(yōu)于API 579，NB/T20013，Janelle方法的相應(yīng)RSF計算式；而當α>55%時，BS 7910計算式RSFB的可靠性低于API 579的計算式RSFA；

(2) 當γ<1、α>55%時，用BS 7910、API 579和Janelle方法相應(yīng)計算式RSFi計算得出的RSF都可能不安全。

因此，需要根據(jù)試驗結(jié)果改進RSF計算式，提高計算精度。

2 含局部減薄缺陷圓柱殼RSF評定方法的改進

2.1改進的1級評定方法

由上述分析可知，當α≤55%時，BS 7910剩余強度系數(shù)計算式RSFB的精度高。因此，對于α≤55%可直接沿用BS 7910規(guī)定的RSFB計算式。為了使RSFB在α<80%都具有相近的計算精度和可靠性，就必須對RSFB進行改造，即在缺陷鼓脹系數(shù)MB中考慮α的影響，即鼓脹系數(shù)是參量γ和α的函數(shù)。

(1) 除α>55%，且γ<1以外，對式(3)的鼓脹系數(shù)MB引入?yún)⒘喀粒⑷∈?7)作為鼓脹系數(shù)Mt的基本擬合函數(shù)：

式中，c、n—待定系數(shù)。

應(yīng)用最小二乘法計算出c和n，得到γ>1時Mt的擬合計算式：

(2) 當α≥55%，且γ≤1時，式(3)的計算值RSFB>RSFT。由于RSFB與MB成反比，因此MB值偏小是造成RSFB值偏大的原因。為使RSF計算值與RSFB符合，經(jīng)反復(fù)分析計算，當γ≤1時擬用γ0.5替代γ2，并取式(9)作為鼓脹系數(shù)Mt基本擬合函數(shù)：

采用最小二乘法計算出c0和c1，則修正后的剩余強度系數(shù)RSF為：

(3) 綜合(1)和(2)，對任何α≤80%，γ>0，取鼓脹系數(shù)MLT：

則含缺陷試驗管的1級評定的剩余強度系數(shù)RSF為：

2.2 RSF改進計算式的可靠性驗證

改進的RSFLT、BS7910的RSFB、API579的RSFA和Janelle的RSFJ的計算值和RSFLT的相對誤差如圖4所示。

圖4 修正后的RSF與其它三種RSF計算誤差比較Fig.4 Comparison of RSF calculation error betweenRSFB/RSFA/RSFJand modified RSFLT.

由圖4可知，改進計算式(9)的RSF計算值分散度及相對誤差小，既具有很高的計算精度，又具有滿意的可靠性。

3 結(jié)論

綜上所述，試驗及分析結(jié)果表明：

(1) 當α≤55%時，BS 7910中的剩余強度系數(shù)RSF計算式的精度高于API 579、NB/T20013、Janelle方法的相應(yīng)計算式的精度；而當α>55%時，BS 7910中的剩余強度系數(shù)RSF計算值的可靠性一般低于API 579的RSF計算值；

(2) 當γ≤1、α≥55%時，用BS 7910、API 579、NB/T20013和Janelle方法中推薦的一級RSF計算式計算爆破壓力剩余強度系數(shù)RSF比試驗確定的RSFT大；

(3) 利用試驗數(shù)據(jù)，修正后得到的剩余強度系數(shù)RSFLT，其計算結(jié)果誤差小。因此，修正后剩余強度系數(shù)RSFLT計算式的精度明顯優(yōu)于其它的RSF計算式的計算精度。

1 Janelle J L, Osage D A, Burkhart S J. An overview and validation of the fitness-for-service assessment procedures forlocal thin areas[M]. Welding Research Council Bulletin 505, September 2005

2 李思源, 唐毅, 聶勇, 等. 蒸發(fā)器含缺陷傳熱管爆破壓力的計算[J]. 壓力容器, 2007, 24(12): 1–7 LI Siyuan, TANG Yi, NIE Yong, et al. Burst pressure calculation of steam generator tube containing defects[J]. Pressure Vessel, 2007, 24(12): 1–7

3 BS 7910—1999, Guide on method for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]

4 API 579－1/ASME FFS－1, Fitness－for－service 2007

5 含缺陷核承壓設(shè)備完整性評定[S]. NB/T20013-2010 Structure integrity assessment standard of nuclear component containing defects[S]. China standard: NB/ T20013-2010

Remaining strength assessment methodology of cylindrical tubing containing local wall thinning defect

TANG Yi1WANG Qi2SUN Haitao3LI Pingren4QIAO Wei1GUI Chun1
1(China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd, Wuhan 430223, China) 2(China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen 518001, China) 3(Nuclear and radiation Safety Center, Beijing 100020, China) 4(Dayabay Nuclear Operation Management Co.,Ltd, Shenzhen 518001, China)

Background：The wear type defect is very common volumetric flaw in steam generator tube, which is most important aspect to affect strength of steam generator tube. Thus, a specific assessment method shall be formulated aiming to this thin-wall tube. Purpose: The aim is to establish a formula of remaining strength factor based on burst pressure experiment results of steam generator tube specimens, which is applicable to safety assessment of cylinderical tubing containing local wall thinning defect. Methods: Therefore, the burst pressure test was performed in order to calculate the remaining strength of steam generator tube containing local thinning wall. Concerning assessment methodology of local wall thinning of cylindrical tubing, several assessment methodologies of the structural integrity were recommended within the codes, such as China code of NB20013, BS7910, API579 and Janelle’s dissertation. In the recent year, the burst pressure experiment was carried out on cylindrical tubing with local wall thinning defect, and the methods mentioned above were used to calculate the burst pressure and compared with the experiment result. Results: However, the calculated burst pressure result does not always match well the experiments. In the case that defect depth by wall thickness is over than or equal 70%, the calculated burst pressure is far more than the experiment’s, thus this case is not conservative as far as safety concerned. Conclusions: Finally the modified RSF formula is developed on the basis of the experiment’s burst pressure, and which is most accurately applicable to the result of burst pressure experiment.

Remaining strength, Defects, Tube, Pipe, Assessment methodology

TB125

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040635

唐毅，男，1973年出生，2002年于武漢大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域：核設(shè)備可靠性與壽命評估及結(jié)構(gòu)完整性評價

2012-11-30，

2013-01-15

CLC TB125