洪力陽, 陳 玲, 張永發(fā)
(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)
壓力管道是是利用一定的壓力,輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備,能廣泛應(yīng)用于各種民用和工業(yè)領(lǐng)域,尤其在流體的輸送方面,管道運輸具有不可取代的突出優(yōu)勢。然而工業(yè)管道在服役期間存在制管和施工缺陷,可能會因為腐蝕、機械損傷等因素引起管線的泄漏和開裂,導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸中毒等事故發(fā)生,因此其安全評定工作非常重要。
對于船用核動力管道,在工業(yè)管道的基礎(chǔ)上還要考慮輻照以及海水腐蝕對于缺陷的影響;熱應(yīng)力循環(huán)和高溫蠕變作用對于管道疲勞壽命的發(fā)展也不可忽視。本文通過總結(jié)國內(nèi)外常用的壓力管道安全評定技術(shù),為下一步研究艦船核動力管道安全評定方法提供參考。
在對含缺陷管道進行安全評定之前,首先需要了解管道的缺陷類別,認識各種缺陷的表現(xiàn)形式,以便更好地選用合適的安全評定方法。根據(jù)缺陷的幾何特征、性質(zhì)、位置以及方向等方面,我們可以將缺陷劃分為不同的類別。
根據(jù)缺陷的不同性質(zhì),我們可以將其分為裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合、未焊透等等,具體情況見表1。
表1 缺陷的類別、含義及其具體形式
根據(jù)缺陷的位置可將其分為穿透缺陷、內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷,具體情況見圖1。
圖1 缺陷類型
根據(jù)缺陷的幾何特征可將其分為平面型缺陷和體積型缺陷。平面型缺陷也叫裂紋型缺陷,包括裂紋、未熔合、夾層等等缺陷類型;體積型缺陷則包括孔穴、夾渣等。
在安全評定分析中,平面型缺陷和體積型缺陷是最常劃分的方式,一般在進行安全評定時會將其進行相應(yīng)的規(guī)則化(表征),具體情況見圖2和圖3。
圖2 平面型缺陷的表征
圖3 體積型缺陷的表征
此外,還可以根據(jù)缺陷方向分為徑向缺陷和環(huán)狀缺陷,按材料和加工工藝分為焊接缺陷、鑄造缺陷、鍛壓缺陷等。
國際上自20世紀(jì)70年代初期就開始對含缺陷管道的安全評定方法進行研究,主要有塑性極限載荷評價方法、彈塑性強度理論、斷裂力學(xué)評價方法以及雙判據(jù)評價方法等。因此可以根據(jù)不同的缺陷類別和表現(xiàn)形式,選用合適的安全評定方法。
由于壓力管道通常是對接焊縫,焊接缺陷一般為環(huán)向缺陷,相對于壓力容器,缺陷的尺寸較小,壁厚薄,材料的韌性較好,因此失效模式通常是由極限載荷控制的塑形失效。因此可以根據(jù)凈截面屈服準(zhǔn)則和最大應(yīng)力準(zhǔn)則來進行評定[1]。
2.1.1 凈截面屈服準(zhǔn)則(NSC)
凈截面屈服準(zhǔn)則最早由Kanninen等人提出。該準(zhǔn)則認為在彎矩或同時施加內(nèi)壓的作用下,含環(huán)向缺陷的壓力管道所在橫截面進入全面屈服時會產(chǎn)生失效。若考慮材料的應(yīng)變硬化現(xiàn)象,那么管道的橫截面應(yīng)力達到流變應(yīng)力時將處于極限狀態(tài)。由此可以得到該管道能承受的最大彎矩MNRC。公式如下:
MNRC=2σfR2t(2sinβ-fsinα)
式中:σf指流變應(yīng)力,一般取材料的強度極限與屈服極限的平均值,MPa;R,t分別表示管道的平均半徑和壁厚,mm;α是管道所含缺陷的半周角;β是由缺陷的存在引起的管道斷面的抗彎中性軸的偏離角;f是管道所含缺陷的深度a與壁厚t之比,f=a/t。
后來在大量試驗基礎(chǔ)上對其進行了修正,分別是無因子塑性參數(shù)DPZP的修正系數(shù)MPZ,管子材料的修正系數(shù)Mf以及管道的橢圓化修正因子MV。修正后實際承載能力M為:
M=(MPZMfMv)MNSC
式中MNSC是由原凈截面屈服準(zhǔn)則計算的結(jié)果。
2.1.2 最大應(yīng)力準(zhǔn)則
最大應(yīng)力準(zhǔn)則最早由德國MPA材料研究所在大量試驗基礎(chǔ)上提出。該準(zhǔn)則認為其裂紋(環(huán)向裂紋的管道)所在截面內(nèi)的最大應(yīng)力達到材料的強度極限σu時產(chǎn)生失效,此時最大彎矩M為:
1948年Irwin發(fā)表了論文《Fracture Dynamics》,標(biāo)志著斷裂力學(xué)成為一門獨立的工程學(xué)科,隨后大量的研究集中于線彈性斷裂力學(xué)。
該理論認為裂紋體各部分的應(yīng)力和應(yīng)變在脆性斷裂過程中處于線彈性狀態(tài),塑性變形階段只存在于裂紋尖端的極小區(qū)域內(nèi)。處理方式有兩種:一種是通過研究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場,運用應(yīng)力強度因子及對應(yīng)的斷裂韌度K判據(jù)而提出的應(yīng)力應(yīng)變分析方法;另一種是能量分析方法,主要是研究裂紋擴展時系統(tǒng)能量的變化,運用能量釋放率及其對應(yīng)的斷裂韌度和G判據(jù)[2]。
線彈性斷裂力學(xué)將結(jié)構(gòu)視為不發(fā)生屈服的彈性體,因此一般適用于脆性材料的裂紋型缺陷判定。
2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析法(K判據(jù))
該方法假設(shè)有一塊無限大板(承受均勻拉應(yīng)力),含有一處長為2a的I型穿透裂紋,如圖4所示。
圖4 裂紋尖端的應(yīng)力分析
若給定裂紋尖端附近一點(r,θ),且裂紋體的材料一定,則該點的位移分量、各應(yīng)力和應(yīng)變由KI值唯一確定,KI值越大對應(yīng)的值也越高。因此KI可反映裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場的強度,故稱之為應(yīng)力強度因子,它綜合反映了裂紋位置、長度以及外加應(yīng)力對裂紋尖端應(yīng)力場強度的影響,其表達式一般為:
式中:Y是裂紋形狀系數(shù),取決于裂紋的類型;σ是應(yīng)力,MPa;a是裂紋尺寸。
在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi),若其應(yīng)力值達到了材料的斷裂強度(即裂紋尺寸a或應(yīng)力σ達到臨界值),那么裂紋就會因為失穩(wěn)擴展而導(dǎo)致斷裂,這時KI也達到一個臨界值,記為KIC,單位為MPa·m1/2。
因此,可以根據(jù)KI與KIC值的相對大小建立裂紋失穩(wěn)擴展脆斷的斷裂K判據(jù):
KI≥KIC
受力時,裂紋體只要滿足上述條件,就會發(fā)生脆性斷裂;反之,即使存在裂紋,也不會發(fā)生斷裂。
2.2.2 能量分析法(G判據(jù))
Griffith最早用能量法研究脆性材料的斷裂強度及其受裂紋的影響,提出驅(qū)使裂紋擴展的動力是彈性能的釋放率,令其為GI:
GI為裂紋擴展的能量釋放率,J/mm2。當(dāng)GI增大到某一臨界值GIC,裂紋便失穩(wěn)擴展而斷裂,GIC稱為斷裂韌度。
因此,可以根據(jù)GI和GIC的相對大小建立裂紋失穩(wěn)擴展的力學(xué)條件,即G判據(jù):GI≥GIC
彈塑性斷裂評定的方法主要建立在彈塑性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上,主要可以分為COD法(裂紋尖端張開位移法)和J積分理論法[2]。一般用于裂紋型缺陷的評定過程中。
2.3.1 裂紋尖端張開位移法(COD法)
1965年,WELLS提出了彈塑性斷裂力學(xué)的COD理論,后發(fā)展為半經(jīng)驗的COD設(shè)計曲線方法,成為20世紀(jì)70年代國際缺陷評定規(guī)范主要采用的評定方法。
裂紋體受載后,在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產(chǎn)生的位移即為裂紋尖端張開位移,可用δ表示。在小范圍屈服條件下,裂紋尖端的塑性區(qū)進行修正,裂紋由a虛擬擴展到a+ry,尖端由O點移到O’,如圖5所示。
圖5 裂紋尖端張開位移
δ的臨界值稱為斷裂韌度,表示材料阻止裂紋開始擴展的能力,根據(jù)δ和δC的相對大小關(guān)系,可以建立斷裂δ判據(jù):
δ≥δC
而對于大范圍的屈服,KI與GI都已不再適用,但COD仍可以進行評估。Dugdale應(yīng)用Muskhelishvili復(fù)變函數(shù)解彈性問題的方法,提出帶狀屈服模型(DM模型),導(dǎo)出了塑性條件下的COD表達式,如圖6所示。
圖6 帶狀屈服模型
設(shè)有一長2a的I型穿透裂紋存在于塑性材料無限大薄板中,遠處平均作用應(yīng)力為σ,裂紋尖端的塑性區(qū)ρ呈尖劈型。若沿x軸將塑性區(qū)割開,則裂紋長度由原來的2a變?yōu)?c,在割面上下方代之以應(yīng)力σS,以阻止裂紋張開,于是該模型就變?yōu)樵?a,c)和(-a,c)區(qū)間作用有σS,無限遠處有均勻應(yīng)力σ的線彈性問題。則:
2.3.2 J積分評定法
1968年,Rice提出了J積分,Hutchinson證明了J積分可以用來描述彈塑性體中裂紋的擴展,在這之后,逐步發(fā)展為彈塑性斷裂力學(xué)。J積分理論可定量的描述裂紋體的應(yīng)力應(yīng)變場的強度,如圖7所示,設(shè)有一單位長度的I型裂紋體,取一逆時針回路Γ,其應(yīng)變能密度為ω(包圍體積內(nèi)的),Γ上任意一點的作用力為T。
圖7 J積分的定義
若s為Γ周界弧長,u為該點位移矢量,則定義J積分為:
JI為I型裂紋的能量線積分,在平面應(yīng)變的條件下,當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變場的能量達到使裂紋開始擴展的臨界狀態(tài)時(即外力達到破壞載荷時),JI達到相應(yīng)的臨界值JIC,也可稱為斷裂韌度。
根據(jù)JI與JIC的相互關(guān)系,可以建立J判據(jù),即:
JI≥JIC
若滿足上式,裂紋就會開裂。
1976年,英國中央電力局(CEGB)發(fā)表了“帶缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評定”(R/H/R6)報告,制定了第一條失效評定曲線,因此R6法也稱為失效評定曲線法[3],一般用于平面型缺陷評定。
直至1986年,R6法經(jīng)過了3次修訂,習(xí)慣上將之前的失效評定曲線法稱為“老R6法”,它以D-M模型為依據(jù)。后來經(jīng)美國EPRI研究,使用J積分取代窄條區(qū)屈服模型。該方法分別取縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)為Kr、Lr:
Kr=KI/KIC,Lr=P/P0
Kr反映了結(jié)構(gòu)脆性斷裂的程度,Lr是施加載荷P與塑性失穩(wěn)極限載荷P0的比值,反映了結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)程度。因此R6法也被稱為雙判據(jù)評定法,當(dāng)評定點(Lr,Kr)落在評定曲線外時,表示結(jié)構(gòu)失效;反之,則說明結(jié)構(gòu)是安全的。
習(xí)慣上將CEGB于1986年修改的R6標(biāo)準(zhǔn)稱為新R6標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)以J積分為基礎(chǔ),考慮了材料的應(yīng)變硬化效應(yīng),建立3種可選擇的失效評定曲線,在EPRI的基礎(chǔ)上做了簡化。另外改進了裂紋的延性穩(wěn)定擴展處理方法,提出3種類型的缺陷評定方法,可根據(jù)具體的情況選用。
新R6失效評定曲線的一般形式如圖8所示,可用一條截斷線和一條連續(xù)的曲線表示。
圖8 新R6失效評定曲線的一般形式
截斷線Lmax表示結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)載荷與屈服載荷在缺陷尺寸很小時的比值,若Lr>Lmax,則Kr=f(Lr)=0。
R6法是美國ASME規(guī)范IWB-3640和IWB-3650管道評定方法的基礎(chǔ),取用K判據(jù)斷裂應(yīng)力強度因子理論、COD理論以及J積分理論等眾家之長和最新研究成果,能夠判別含缺陷結(jié)構(gòu)的潛在失效模式,進行結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、彈塑性斷裂和塑性失穩(wěn)分析,因此廣泛用于管道的安全評定中。之后R6標(biāo)準(zhǔn)又增設(shè)附錄9,即核壓力管道LBB評定方法,也可將其用于評定高溫蠕變場合,提出與時間有關(guān)的LBB失效評定圖Kr=f(Lr,T)。
1999年,英國制定《焊接結(jié)構(gòu)缺陷驗收評定方法指南》(BS7910)評定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)共有3個評定級別,分別為一級簡單評定、二級常規(guī)評定以及三級延性撕裂評定[4],主要用于平面型缺陷的評定。其中的一級安全評定最為保守,主要應(yīng)用在相關(guān)評定數(shù)據(jù)較少的情況;二級評定為常規(guī)評定方法;三級評定為最高級別評定方法,主要是應(yīng)對需要分析裂紋的穩(wěn)定撕裂斷裂或者高應(yīng)變硬化指數(shù)的材料。
本文主要對BS7910-2005評價標(biāo)準(zhǔn)中的一級安全評定方法進行介紹。一級安全評定包括兩種(1A法與1B法)。
2.5.1 1A級評定
圖9 1A級失效評定
其中:Sr=σref/σf,Kr=KI/Kmat
式中:σref為參考應(yīng)力;σf為流變應(yīng)力,等于抗拉強度σb與屈服強度σs的算術(shù)平均值,最大值為1.2σs;KI為應(yīng)力強度因子;Kmat為試驗實測的斷裂韌性值,Kmat可通過夏比沖擊試驗測得。
兩條評定線分別是Sr等于0.8的垂直線和Kr等于0.707的水平直線,若評定點在矩形區(qū)域之內(nèi)則安全,反之則不安全。
2.5.2 1B級評定方法
1999年,歐洲委員會制定了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評定方法,該方法根據(jù)管道材料的脆斷、塑性破壞以及二者之間的相互作用,使用失效評定圖(FAD)和裂紋推動作為分析方法,對焊接結(jié)構(gòu)進行合于使用的評定。根據(jù)材料數(shù)據(jù)的詳盡程度可分為3個標(biāo)準(zhǔn)等級和3個先進等級[5]。
SINTAP主要通過提高數(shù)據(jù)質(zhì)量來降低保守性,是建立在輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量基礎(chǔ)上的分級結(jié)構(gòu):最復(fù)雜、最準(zhǔn)確的等級需要相應(yīng)高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)。
SINTAP使用的是FAD法,與R6法和BS7910相同,可用于平面型缺陷評定,但在參數(shù)計算、應(yīng)力分析等方面有所區(qū)別:
1)基本方程
第1級評定與材料的Lüders平臺相關(guān),對于有Lüders屈服平臺的材料,其評定曲線函數(shù):
對于連續(xù)屈服材料,曲線函數(shù):
2)SINTAP可以在缺少詳細的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時通過對大量鋼材性能的研究,來提供材料應(yīng)變硬化性能、屈強比以及屈服平臺的估算方法。
3)提出由AKV(沖擊功)估算鐵素體鋼解理斷裂區(qū)斷裂韌度下限值的方法。由于AKV與啟裂斷裂韌度間無明確的簡單數(shù)學(xué)關(guān)系,且此下限值在工程評定中一般無法測得,因此此估算雖然數(shù)據(jù)很保守(甚至只有實際值的五分之一),但仍然很有意義。
4)在處理時不僅采用R6的ρ因子法,同時也提出新的V因子來表示二次應(yīng)力的影響。若V>1,那么表示二次應(yīng)力超過了彈性的估計值,則塑性情況下J積分值發(fā)生變化;反之,若V<1,則表示二次應(yīng)力松弛;若V=0,則二次應(yīng)力可忽略不計。
5)闡述了一種計算約束等級的方法,以超靜態(tài)Q-應(yīng)力或裂紋尖端的彈性T-應(yīng)力為形式,修改CDF或FAD法來考慮效果。
6)給出了可靠性評定法以及軟件PRO-SINTAP,采用Monte Carlo數(shù)學(xué)模擬以及近似的一階可靠性過程。在評定過程中將斷裂韌度看為隨機變量來處理斷裂韌度的分散性問題,目前已經(jīng)有基于SINTAP斷裂韌度概率密度的分布模型,采用柯爾莫戈洛夫檢驗法和A2-W2檢驗法來研究管線的熱影響區(qū)斷裂韌度CTOD的方法。
美國的ASME(機械工程師協(xié)會)是國際上安全分析與評價領(lǐng)域最早和最權(quán)威的機構(gòu)。1963年頒布了第一版ASME SECTION III《核設(shè)施元件制造規(guī)則》,1984年發(fā)布了適用于剩余強度評價的ASME B31G-1984,也是國際上應(yīng)用最廣泛的評價標(biāo)準(zhǔn)之一[6],主要用于體積型缺陷的評定。
本文主要介紹ASME第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》中的IWB-3650評價法及附錄H《鐵素體鋼管道缺陷評定規(guī)程及驗收準(zhǔn)則》的有關(guān)內(nèi)容。
IWB-3650法可對脆性斷裂失效、塑性失穩(wěn)失效以及彈塑性斷裂(包括啟裂后韌性撕裂材料抗力增強至失穩(wěn)的極限載荷分析)進行評定。可以根據(jù)管徑以及缺陷的幾何尺寸、材料性能和外載大小的計算參量(SC)值判別出潛在的失效模式,然后查出相應(yīng)的表格和算式。其中表格和算式已經(jīng)通過大量的理論分析和數(shù)值計算整理得到,因此方法非常簡便。具體的失效模式判別準(zhǔn)則和FAD圖如圖10和11所示。LEFM是線彈性斷裂力學(xué),EPFM是彈塑性斷裂力學(xué)。
圖10 失效模式判別準(zhǔn)則
圖11 失效評定
實際評定中由于JIC難以測定,因此可采用ASME推薦保守值,如評定環(huán)向缺陷(碳鋼材料)時σy=27.1Ksi(即186.9 MPa),JIC=600 Ib/in(0.105 MN/m)。
目前國內(nèi)使用的主要標(biāo)準(zhǔn)有如下4項:API579-1-20 07、BS7910-2013、GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評價》[7]以及SY/T6477-2014《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》[8]。
GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)合乎使用和“最弱環(huán)”原則,將缺陷分為平面缺陷和體積缺陷,建立了應(yīng)用簡便、精度高,且可適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料的含周向面型缺陷壓力管道的U因子工程評定方法[7]。具體評價流程見圖12和13。
SY/T6477-2014針對管道工程中常見的體積型缺陷、含裂紋型缺陷、彌散型缺陷,以對管道的定量檢測為基礎(chǔ),確定其最大許用工作壓力MAWP以及當(dāng)前工況下的最大允許缺陷尺寸。再根據(jù)缺陷的動力學(xué)發(fā)展規(guī)律和材料性能退化規(guī)律,運用軟件計算其剩余強度和壽命[8]。以體積型缺陷為例,目前國內(nèi)已經(jīng)在此有了軟件開發(fā)和應(yīng)用,具體評價流程如圖14。
圖12 平面型缺陷的評定流程
圖13 體積型缺陷的評定流程
以上所有標(biāo)準(zhǔn)都采用雙判據(jù)失效評估圖方法,兼顧了脆性斷裂失效和塑性失穩(wěn)失效,是斷裂力學(xué)評價方法和塑性極限載荷評價方法的結(jié)合。
在核電方面,目前國內(nèi)核電機組的役前和在役檢查主要按照ASME頒布的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》或法國的《壓水堆核島機械設(shè)備在役檢查規(guī)則》(RSE-M規(guī)范)的要求執(zhí)行[9]。
圖14 含體積型缺陷管道的剩余強度的評價流程
在核電廠核級焊縫的役前和在役檢查過程中需要對缺陷進行處理,以判斷其是否滿足規(guī)范的要求以及應(yīng)該采取何種手段處理缺陷,具體流程如圖15所示。
圖15 缺陷處理流程
在評價過程中,若要求的判據(jù)都滿足,則該含缺陷管道適用于目前的工作條件,只要采取適當(dāng)措施就可以在當(dāng)前工作條件下繼續(xù)安全運行。若評價結(jié)果表明該含缺陷管道不適合當(dāng)前操作條件,則宜進行降級使用,計算其MAWP值(最大允許工作壓力),再進行進一步的分析。
在船用核動力方面,目前國內(nèi)主要是通過檢修過程中的無損探傷來進行判定,還沒有形成較為規(guī)范的評價方法,輻照作用以及熱應(yīng)力對于含缺陷管道的剩余強度和疲勞壽命的影響也沒有進一步的研究。
對于下一步研究含缺陷核動力管道的安全評定方法,可以借鑒ASME IWB-3650以及雙判據(jù)評定方法,結(jié)合無損探傷的缺陷數(shù)據(jù)、輻照和熱應(yīng)力疲勞的影響,采用ANSYS建模分析和建立FAD失效圖的方法來進行評定,具體的評價流程還有待進一步的分析論證。
目前前期的各項調(diào)研工作已經(jīng)基本完成,對于管道的材料性能參數(shù)、無損探傷法以及ANSYS分析軟件的使用等都有了基本的認識。存在的問題是關(guān)于含缺陷管道的數(shù)據(jù)建模、應(yīng)力值分析以及邊界條件的限定還有待進一步的研究論證,計算結(jié)果、可靠性以及壽命預(yù)測也需要通過實際的檢修工作跟蹤論證。
本文針對含缺陷壓力管道的評定方法以及各參照標(biāo)準(zhǔn),對目前國內(nèi)外的管道安全評定進行了較為系統(tǒng)和全面的介紹。對于核用管道,國際上主要是參照ASME協(xié)會的IWB-3650法和法國的RSE-M規(guī)范的要求來進行評定。我國目前也是借鑒了此類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,結(jié)合工程的實際需求,制定了適用性的評定方法。但是目前在船用核動力領(lǐng)域還沒有針對性的評定方法,核管道的各項數(shù)據(jù)也還不完善,不能適應(yīng)目前工程以及實際任務(wù)中的需求。本文指為下一步研究艦船核動力領(lǐng)域的含缺陷壓力管道安全評定方法提供參考和研究基礎(chǔ)。