嚴 進

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

壓力容器是在石油化工行業(yè)使用中可能引起易燃易爆或中毒等事故的特種設(shè)備之一。含有缺陷的壓力容器設(shè)備是否可以繼續(xù)安全使用關(guān)系到設(shè)備運行的安全性和經(jīng)濟性，因此需要對含缺陷的壓力容器設(shè)備進行科學(xué)的安全評定。通常研究含缺陷壓力容器的斷裂規(guī)律及安全評定時，材料的斷裂韌性KIC值和裂紋尖端應(yīng)力強度因子KI值是評定含缺陷壓力容器設(shè)備是否能夠繼續(xù)安全使用的主要參數(shù)。而材料的斷裂韌性是材料的物理屬性，通過實驗測量，尋找出材料斷裂韌性與常規(guī)力學(xué)性能之間的關(guān)系就顯得非常有必要。利用KIC估算公式，既能減少斷裂韌性試驗的費用，又能取得評價所需要的參數(shù)值。

1 GB 19624-2004中壓力管道材料斷裂韌性值的簡化估算

KIC反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力，是材料的力學(xué)性能指標。它是材料強度和韌性的綜合反應(yīng)，與裂紋本身的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。材料的斷裂韌性值是通過實驗獲得的，在不能用標準方法進行斷裂韌性測試時，根據(jù)國標[1]可以通過公式（1）、（2）估算。

式中：E為材料彈性模量；JIC為彈塑性斷裂韌度；σS為材料的屈服強度，v為材料的泊松比。

評定時若沒有給出材料的JIC值就用材料斷裂韌度的下限值，（JIC）下限可取1.14AKV，對未焊透缺陷可取2.2AKV，也可以根據(jù)評定人員過去使用該種材料的歷史經(jīng)驗決定。如果評定時缺乏材料的AKV數(shù)據(jù)，若評定人員能判斷材料適用于壓力容器，且在使用狀態(tài)下無脆化傾向，使用溫度不低于材料的轉(zhuǎn)變溫度，在評定時可以取壓力容器材料容許的最低值A(chǔ)KV=27J。此方法在未知壓力容器材料斷裂韌性值的情況下，能夠簡單便捷地評定出壓力容器的安全性，但其評定方法過于保守，未能達到充分地安全使用設(shè)備的目的。

2 CTOD法估算斷裂韌性值

裂紋尖端張開位移(CTOD)法是測試金屬材料斷裂韌性的主要方法之一。在平面應(yīng)變狀態(tài)下, 根據(jù)線彈性斷裂力學(xué), 金屬材料的斷裂韌性值可以依據(jù)公式（3）計算[2-3]。

式中：mCTOD為轉(zhuǎn)換常數(shù)，取值1.4；σf為流變應(yīng)力，，MPa；σv為材料屈服強度，MPa；σu為材料抗拉強度，MPa；δrit為極限CTOD值，mm；Eν為彈性模量，取值2.06×105MPa；ν為泊松比，取值0.3。

美國石油協(xié)會出版社的管道適應(yīng)性評價規(guī)范提出，金屬材料的斷裂韌性KIC可以利用夏比沖擊功CVN，采用公式（4）估算。

駱建武等[4]從國內(nèi)外4家鋼管廠選取X80級鋼作為CTOD試驗用材料，依據(jù)GB/T 2358-1994《金屬材料裂紋尖端張開位移試驗方法》進行試驗，CTOD數(shù)據(jù)取裂紋擴展量為0.2mm時的值，即δ0.2按公式（3）計算鋼管的斷裂韌性值，并且以此值作為斷裂韌性的試驗觀測值，同時按照ASIME 23-2005的試驗方法，測定各個試樣的沖擊功，利用公式（4）計算材料的斷裂韌性值，并與試驗觀測值比較發(fā)現(xiàn)，用CVN法估算的X80級鋼的斷裂韌性值與試驗觀測值偏差較大，且CVN法估算值全部小于試驗觀測值。駱建武等又利用回歸模型建立了X80級鋼夏比沖擊功與其斷裂韌性之間的經(jīng)驗關(guān)系式，將夏比沖擊功作為隨機變量處理，斷裂韌性作為因變量處理，得到經(jīng)驗公式（5）。

此經(jīng)驗公式計算的斷裂韌性值與樣本數(shù)據(jù)是高度相關(guān)的，與API 579-2007推薦的公式對比表明，此公式可以對X80級鋼的斷裂韌性做出更準確的估算。利用此公式可以估算出X80級鋼 的斷裂韌性值，對評定其安全性提供了方便。但是此經(jīng)驗公式是依據(jù)裂紋張開位移計算出的斷裂韌性值作為試驗觀測值擬合的，而不是直接依據(jù)試驗測得的斷裂韌性值進行擬合的，所以雖然擬合的經(jīng)驗公式與樣本數(shù)據(jù)高度相關(guān)，但還是存在間接誤差，如果能直接依據(jù)測得的斷裂韌性值進行公式擬合，則擬合的經(jīng)驗公式對斷裂韌性值的估算更為準確。

3 壓力容器在中溫工作環(huán)境中材料的斷裂韌性值的估算

當(dāng)壓力容器設(shè)備在溫度較高介質(zhì)中運行時，隨著溫度的升高，材料的斷裂韌性會出現(xiàn)下降趨勢。對于壓力容器在中溫范圍內(nèi)的斷裂韌性行為，Matsuzawa等[5]對多種壓力容器材料進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，斷裂韌性出現(xiàn)下降的趨勢。EricksonKirk[6]從流變應(yīng)力方面考慮，建立了中溫斷裂韌性與溫度的關(guān)系，且在ASTM STP-1360中從微觀機制方面提到了關(guān)于中溫斷裂韌性的變化規(guī)律。文獻[7]關(guān)于中溫斷裂韌度的研究等均表明，隨著溫度的升高，斷裂韌性出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

近年來，材料損傷斷裂行為的研究進入了宏微觀相結(jié)合的理論階段，考慮材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，引入多層次的缺陷幾何，追溯材料從變形、損傷到斷裂的全過程。李余德等[8]提出的塑性斷裂模型以及點缺陷在應(yīng)力場中的遷移運動規(guī)律，從空位濃度方面研究，通過一些分析和假定建立了1型裂紋中溫范圍內(nèi)斷裂韌性JIC和溫度T的關(guān)系為：

JIC(Tupper)為材料上平臺溫度的斷裂韌性，B= -Ef/k，為空位濃度中的空位形成能項對斷裂韌度對比系數(shù)的影響，且B＜0；Ef為空位形成能，可由實驗測得；k為玻爾茲曼常數(shù)。λ=μα0，為空位濃度中的振動熵項對斷裂韌度對比系數(shù)的影響；α0=exp(Sf/k)，是材料在特征溫度下由振動熵Sf決定的系數(shù)，μ為比例系數(shù)，且μ＞0。同時李余德等同國際同行EricksonKirk進行交流，獲得了多種壓力容器鋼中溫斷裂韌性的實驗數(shù)據(jù)，采用提出的斷裂韌性關(guān)系式進行了曲線回歸分析，提供了一種理論計算1型裂紋斷裂韌性值，并一共對38種試樣做了分析。結(jié)果表明，公式進行線性回歸分析得到的各種試樣在不同溫度下的斷裂韌性值與實驗結(jié)果吻合得很好，此公式能夠估算出各種鋼在中溫環(huán) 境中1型裂紋的斷裂韌性值，對于評定中溫環(huán)境下的缺陷壓力容器設(shè)備提供了方便。只是對于估算的裂紋類型過于單一，只能估算1型裂紋的斷裂韌性值，如果再能估算出其他類型裂紋的斷裂韌性值，則公式就能更為廣泛應(yīng)用。

4 應(yīng)力腐蝕臨界強度因子KISSC值的簡化估算

含裂的壓力容器設(shè)備在腐蝕介質(zhì)中運行時，在受載相同的條件下, 由于裂紋尖端存在電化學(xué)腐蝕，使裂紋加速擴展，致使設(shè)備在所受應(yīng)力σ小于其臨界應(yīng)力σc時，即能發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。假設(shè)裂紋從原始尺寸2α0擴展到臨界尺寸2αC所需的時間為t，裂紋在腐蝕介質(zhì)作用下，當(dāng)應(yīng)力強度因子KI＜KIC時，裂紋擴展所需的時間t會隨KI的下降而增大，即應(yīng)力強度因子越小，設(shè)備使用的壽命就越長。當(dāng)應(yīng)力強度因子KI下降到某一臨界值時，設(shè)備使用壽命足夠長，該臨界值即為應(yīng)力腐蝕臨界強度因子KISSC。因此，對壓力容器等含缺陷構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕脆斷進行安全評定時，其失效判據(jù)即為KI≤KISSC，對于特定的金屬材料和特定的腐蝕介質(zhì)而言，其應(yīng)力腐蝕的門檻值KISSC必定為定值。

在工程實際應(yīng)用中，材料的應(yīng)力腐蝕強度因子門檻值KISSC是通過特定的實驗裝置利用恒定載荷法或恒定位移法測得的。但鑒于應(yīng)力腐蝕斷裂涉及到大量不同的金屬材料和腐蝕介質(zhì)，采用實驗測定方法獲取KISSC值有一定的困難，即難以測得任何一種介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕臨界強度因子KISSC值。因此，有必要尋求一種簡單直接的KISSC工程計算方法。

許多針對應(yīng)力腐蝕臨界強度因子KISSC的研究均表明[9-11],材料的屈服應(yīng)力σS是對KISSC敏感的一個重要影響因素。以此為基礎(chǔ), Gerberich[12]導(dǎo)出了σS與KISSC之間的關(guān)系為：

式中：R為氣體常數(shù)，即R=8.3×10-6MN·m·(mol·k)-1；T 為絕對溫度，K；a 為常數(shù)，即 13m1/2；VH為氫氣在鋼中的偏克分子體積，即2×10-6m3·mol-1；σS為材料的屈服點；C0、Ccr分別為起始氫的平均濃度和臨界濃度。

在后來的研究中, Kim-Loginow[13]認為，氫易于溶入高強度鋼，C0與σS成正比，從而可以近似代替Ccr/C0，導(dǎo)出了如下估算公式：

式中：β為材料常數(shù)。研究表明，對于含碳量為0.4%左右的鋼材, 用式（8）計算所得的KISSC值與實測值比較符合。當(dāng)含碳量有較大變化時，則誤差較大。為此，陳南平等[14-15]對式（8）進行了修正，即用(A+B/C)代替Ccr/C0值，并考慮了含碳量變化及水介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕斷裂方式的影響, 得出式（9）：

式中：C為鋼材的含碳量，%；A、B為裂紋斷口形貌決定的常數(shù)。

對于含碳量為0.1%~0.4%的各種低合金鋼，胡兆吉等[16]利用式（9）計算得出的KISSC值與實驗所測值比較，結(jié)果均能很好地吻合。有了KISSC的工程計算方法，即可以很方便地應(yīng)用應(yīng)力腐蝕條件下的強度判據(jù)即KI＜KISSC，對壓力容器等含缺陷構(gòu)件在應(yīng)力腐蝕條件下的裂紋擴展狀態(tài)進行安全評定。公式（9）給出了腐蝕環(huán)境下的斷裂韌性值的估算方法，可以很好地估算含碳量為0.1%~0.4%的各種低合金鋼的斷裂韌性值，不足之處就是不能估算出高合金鋼材料在腐蝕環(huán)境中的斷裂韌性值，因此在這方面還需進一步的深入研究。

5 總結(jié)

研究含缺陷壓力管道在靜力、變力載荷作用下的線彈性斷裂規(guī)律及安全評定時，在不考慮其周圍工作環(huán)境的影響時，認為裂紋構(gòu)件在載荷作用下，只要控制裂紋尖端應(yīng)力強度因子KI值小于材料的臨界應(yīng)力強度因子KIC（即材料的斷裂韌性）值，即控制裂紋尖端的應(yīng)力σ小于材料的臨界應(yīng)力σC,構(gòu)件即是安全的，所以估算出材料的斷裂韌性值即可評定出缺陷管道的安全性。當(dāng)構(gòu)件處于高溫高腐蝕環(huán)境工作時，即使KI＜KIC,通常也會產(chǎn)生斷裂破壞而使管道失效。工程經(jīng)驗和研究結(jié)果表明，材料在其工作溫度范圍內(nèi)，其斷裂韌度值在上平臺溫度以上會隨著溫度的升高而下降即存在韌性劣化現(xiàn)象，因此估算其斷裂韌性值時應(yīng)估算其在工作溫度環(huán)境下的斷裂韌性值。對于腐蝕介質(zhì)環(huán)境，其介質(zhì)腐蝕作用加快了含缺陷壓力容器的裂紋擴展速度，導(dǎo)致壓力容器更早地發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，估算斷裂韌度值時應(yīng)估算其在腐蝕介質(zhì)中的應(yīng)力強度因子臨界值KISSC。本文推薦了幾種環(huán)境下缺陷壓力容器的斷裂韌性值估算方法，避免了利用試驗獲得的斷裂韌性值的困難，但是沒有說明其估算方法在工程實際應(yīng)用中的適應(yīng)性。在進行安全評定時，建議盡量采用實驗測定值，對于特定材料和特定介質(zhì)，當(dāng)無法實驗測定時采用估算方法進行計算求得。

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