摘 要 承壓設(shè)備的合于使用評(píng)價(jià)作為安全狀況評(píng)估的重要手段,是承壓設(shè)備完整性管理的重要內(nèi)容?;谑J皆O(shè)計(jì)理念,分別從線彈性斷裂力學(xué)、COD設(shè)計(jì)曲線、失效評(píng)定曲線和J積分理論方面對(duì)承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)進(jìn)行歸納和總結(jié),分析各個(gè)方法的評(píng)價(jià)特點(diǎn)以及主要針對(duì)的問題,并對(duì)承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)做出展望。
關(guān)鍵詞 承壓設(shè)備 合于使用評(píng)價(jià) 研究進(jìn)展
中圖分類號(hào) TQ050.7" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094(2025)02?0191?06
工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),壓力管道、容器、鍋爐、儲(chǔ)罐等的安全性不容忽視,定期的維護(hù)保養(yǎng)、檢驗(yàn)檢測(cè)作為保障其安全性的重要手段,對(duì)保障承壓設(shè)備正常運(yùn)行具有重要意義。
承壓設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝或使用的過程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生缺陷,最終導(dǎo)致設(shè)備失效。合于使用評(píng)價(jià)作為完整性管理的重要組成部分,貫穿設(shè)計(jì)、制造、施工及使用和維護(hù)整個(gè)過程,其核心是分析確定承壓設(shè)備在諸多危害性因素條件下的完整性狀態(tài),在此基礎(chǔ)上提出保障承壓設(shè)備安全運(yùn)行的措施。
合于使用評(píng)價(jià)是以斷裂力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和可靠性系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的工程分析方法[1,2]。20世紀(jì)80年代,承壓設(shè)備安全性分析及管理已經(jīng)在國外被提出,1988年,美國ASME和API共同發(fā)布了“ASME/API壓力容器和管道檢查規(guī)范”。20世紀(jì)90年代末,API發(fā)布“基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)(Risk?Based Inspection,RBI)”,標(biāo)志著對(duì)在役承壓設(shè)備檢驗(yàn)方法新模式探討的開端;此外,歐盟也積極開展具有歐洲特色的RBI+FFS標(biāo)準(zhǔn)[3~5]。國內(nèi)于20世紀(jì)80年代左右對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行壽命管理工作,在參考國外現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,于1994年頒布剩余壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),為承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)進(jìn)一步發(fā)展做出鋪墊。目前,基于失效模式和失效機(jī)理的合于使用評(píng)價(jià)對(duì)承壓設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義,通過大量的工程應(yīng)用和實(shí)踐研究,總結(jié)出承壓設(shè)備的失效原因主要有脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞、腐蝕、蠕變及失穩(wěn)等[6~10]。
筆者以承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)方法作為主要研究內(nèi)容,分類討論各評(píng)價(jià)方法的優(yōu)劣性和適用性,并展望了今后的研究方向。
1 基于失效模式設(shè)計(jì)理念的合于使用評(píng)價(jià)
承壓設(shè)備失效模式理念和基于失效模式的設(shè)計(jì)作為合于使用評(píng)價(jià)的重要依據(jù),在實(shí)際科學(xué)研究和工程應(yīng)用中起著重要的作用。在承壓設(shè)備使用過程中,會(huì)不可避免地產(chǎn)生各類缺陷,基于損傷和失效模式的合于使用評(píng)價(jià),在保障客觀性的前提下,對(duì)承壓設(shè)備做出可靠的評(píng)估以保障其安全運(yùn)行[11]。
1969年,美國ASME委員會(huì)在研究中指出承壓設(shè)備的過度彈性變形、脆性斷裂等8種失效模式;2002年,歐盟EN13445指令最早將短期、長期、循環(huán)三大類失效模式引入分析設(shè)計(jì);2007年,ISO 16528?1中給出了目前比較公認(rèn)的壓力容器三大類13種失效模式;2017年,我國GB/T 34019—2017《超高壓容器》首次引入基于失效模式設(shè)計(jì)理念。
承壓設(shè)備服役運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng),包含各種材料性能、力學(xué)載荷、環(huán)境變化及介質(zhì)特性等[12,13]。基于失效設(shè)計(jì)理念的合于使用評(píng)價(jià),是考慮承壓設(shè)備潛在的失效模式和后果分析,對(duì)承壓設(shè)備當(dāng)前狀況的完整性評(píng)估,在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重要意義。
承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)是以超標(biāo)缺陷、環(huán)境影響和材料劣化的安全評(píng)估為核心,建立結(jié)構(gòu)完整性技術(shù)及其相應(yīng)的工程安全評(píng)定規(guī)程,其流程如圖1所示。
2 合于使用評(píng)價(jià)方法
2.1 基于線彈性斷裂力學(xué)的評(píng)定方法
斷裂作為材料的一種失效模式,其準(zhǔn)則在預(yù)測(cè)含裂紋材料的破壞及裂紋擴(kuò)展等方面具有重要意義。早在1913年,INGLIS C E用彈性體能量平衡的觀點(diǎn),研究陶瓷等脆性材料中裂紋擴(kuò)展問題,提出脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則[14]。1957年,IRWIN G R提出應(yīng)力場強(qiáng)度觀點(diǎn)和應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則,與Grwith能量準(zhǔn)則構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)的核心內(nèi)容[15]。后來,在學(xué)者們的共同努力下,基于彈性力學(xué)的方法以線彈性材料為物理模型,提出用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來描述裂紋尖端應(yīng)力場,建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件,即線彈性斷裂力學(xué)[16]。
2.1.1 應(yīng)力強(qiáng)度因子K準(zhǔn)則
在應(yīng)力作用下,裂紋擴(kuò)展的影響因素主要有應(yīng)力和裂紋尺寸,而應(yīng)力強(qiáng)度因子反映了裂紋尖端附近應(yīng)力強(qiáng)弱的程度[17]。含缺陷結(jié)構(gòu)受到外界載荷時(shí),其應(yīng)力強(qiáng)度因子可作為低應(yīng)力脆斷發(fā)生與否的控制參數(shù)。根據(jù)構(gòu)件上施加載荷類型的不同,應(yīng)力強(qiáng)度因子分別有張開型、滑開型和撕開型。其中,實(shí)際工程應(yīng)用中以張開型為主,張開型也是低應(yīng)力脆性斷裂的主要原因,張開型斷裂判據(jù)可表達(dá)為:
其中,f為形狀修正系數(shù)(與裂紋尺寸a和幾何尺寸W相關(guān));K為材料的斷裂韌性;σ為裂紋頂端處名義應(yīng)力。
從式(1)可以看出,K僅由裂紋尺寸a和名義應(yīng)力σ確定,在均勻拉應(yīng)力的作用下,K隨外應(yīng)力的增大而增大,當(dāng)外應(yīng)力增大到一定程度時(shí),裂紋達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài),此時(shí),即使外力不再增加,裂紋也會(huì)迅速擴(kuò)展,直至斷裂。
2.1.2 應(yīng)變能釋放率G準(zhǔn)則
應(yīng)變能釋放率通常指含缺陷材料受到外界載荷導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)應(yīng)變能的改變量,即裂紋擴(kuò)展力,國外學(xué)者GRIFFITH首先提出能量平衡理論,即:
式中 A——裂紋處面積;
Q——總能量;
?!獢嗔涯?
Π——應(yīng)變能與外力功之和。
能量平衡理論方程是基于張開型裂紋擴(kuò)展,裂紋的擴(kuò)展形式沿其延長線。當(dāng)裂紋擴(kuò)展引起總勢(shì)能釋放的能量等于形成新裂紋所需總能量時(shí),裂紋起裂,即最大能量釋放率G。PALANISWAMYK等于1972年提出了混合裂紋能量釋放脆斷準(zhǔn)則[18,19],表達(dá)式為:
式中 E——彈性模量;
K——I型應(yīng)力強(qiáng)度因子;
K——II型應(yīng)力強(qiáng)度因子;
μ——材料泊松比;
θ——極坐標(biāo)下極角。
2.2 基于COD設(shè)計(jì)曲線的評(píng)定方法
COD設(shè)計(jì)曲線作為一種最基本的斷裂力學(xué)評(píng)定方法,由WELLS于20世紀(jì)60年代依據(jù)彈塑性力學(xué)理論基礎(chǔ)首先提出,隨后學(xué)者利用寬板拉伸實(shí)驗(yàn)確定含缺陷構(gòu)件裂紋尖端張開位移、缺陷尺寸及應(yīng)變值之間的關(guān)系,并由BURDEKIN等于20世紀(jì)70年代修正,表達(dá)式如下:
式中 a——裂紋長度的一半;
Φ——COD值;
δ——斷裂韌性COD值;
ε——構(gòu)件缺陷處的施加應(yīng)變;
ε——屈服應(yīng)變。
COD設(shè)計(jì)曲線評(píng)定準(zhǔn)則以英國BSI PD6493?80為代表,在當(dāng)時(shí)具有一定的先進(jìn)性,并在壓力容器和焊接結(jié)構(gòu)的安全評(píng)價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用,其評(píng)定曲線如圖2所示。但由于COD設(shè)計(jì)曲線是以大量工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ),理論支撐欠缺,因此是一種較為保守的評(píng)估方法。對(duì)于含缺陷結(jié)構(gòu)的評(píng)定,根據(jù)缺陷的應(yīng)力應(yīng)變可求得實(shí)際參數(shù),從而利用COD設(shè)計(jì)評(píng)定曲線進(jìn)行安全性評(píng)估[20~22]。
2.3 基于失效評(píng)定曲線的評(píng)定方法
隨著斷裂力學(xué)研究的不斷深入,基于失效評(píng)定曲線的評(píng)定方法應(yīng)運(yùn)而生,主要對(duì)石油化工及核工業(yè)中承壓設(shè)備進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià),從材料、運(yùn)行條件、損傷模式、無損檢測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變以及統(tǒng)計(jì)分析等方面對(duì)承壓設(shè)備進(jìn)行完整性評(píng)價(jià),并將其納入ASME標(biāo)準(zhǔn)(API 579?1/ASME FFS?1),其安全評(píng)估包括對(duì)在役設(shè)備缺陷的評(píng)估和對(duì)材料退化引起損傷的評(píng)估[23]。
承壓設(shè)備的形式和失效模式多種多樣,由于含缺陷結(jié)構(gòu)的失效需服從線彈性強(qiáng)度因子理論和塑性失穩(wěn)準(zhǔn)則,失效評(píng)定曲線也稱為雙判據(jù)評(píng)定法。其中薄壁結(jié)構(gòu)本體上的裂紋多為表面裂紋,采用Ramberg?Osgood應(yīng)力-應(yīng)變法則,經(jīng)典失效評(píng)定曲線方程簡化后如下[24]:
ε/ε=σ/σ+α(σ/σ)(6)
ε=σ/E
其中,n為冪硬化指數(shù);α為硬化系數(shù);ε為初始應(yīng)變;σ為應(yīng)力;σ為屈服應(yīng)力。
結(jié)構(gòu)中裂紋的J積分可以表達(dá)為:
J=J(a,p)+J (a,p,n)(7)
其中,a為裂紋尺寸;a為裂紋長度;J(a,p)是
Irwin等效裂紋長度上的J積分;J 是J積分的塑性分量;p為載荷。
隨著斷裂力學(xué)評(píng)定技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)不同工況的失效評(píng)定曲線也在不斷完善;目前國際上諸多安全規(guī)范采用失效評(píng)定曲線的評(píng)估方法,如API RP579、R6、BS7910等。國內(nèi)學(xué)者對(duì)韌性材料傾斜裂紋、高壓容器應(yīng)變區(qū)等的失效評(píng)定曲線進(jìn)行相關(guān)研究,提出可靠性指標(biāo)線概念并對(duì)算法進(jìn)行推導(dǎo),探討影響因素及作用[25]。
2.4 基于J積分理論的評(píng)定方法
含缺陷結(jié)構(gòu)J積分方法最早由美國電力研究協(xié)會(huì)EPRI提出,與傳統(tǒng)的靜力學(xué)分析方法相比,J積分理論直接從材料斷裂機(jī)理出發(fā),直接定義裂紋方向及尖端,可以描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的強(qiáng)度,更加符合裂紋擴(kuò)展的實(shí)際情況[26]。對(duì)于缺陷平面上的J積分可以表示為[27,28]:
式中 T——主應(yīng)力;
u——位移;
W——應(yīng)變能密度;
?!e分路徑。
對(duì)式(8)解析證明可知,J積分可描述裂紋尖端的應(yīng)變狀態(tài)且與積分路徑無關(guān);將平面上的二維J積分沿著裂紋擴(kuò)展方向逐點(diǎn)積分可得裂紋的三維積分,其表達(dá)式如下:
其中,I為二階單位張量(單位矩陣);L為裂紋長度;q為矢量場;dA=dsdΓ;λ(s)為裂紋在s點(diǎn)的長度;ω為應(yīng)變能密度;?u/?X為位移梯度,u為位移場,X為材料坐標(biāo)。
J積分的計(jì)算評(píng)定方法從結(jié)構(gòu)、載荷、裂紋尺寸、屈服強(qiáng)度方面分析對(duì)失效產(chǎn)生的影響,平面缺陷的失效評(píng)定曲線分析評(píng)定以J積分計(jì)算為基礎(chǔ),是相對(duì)先進(jìn)和完善的分析方法。而對(duì)于塑性應(yīng)力場的求解,J積分方法求解復(fù)雜,借助有限元分析求解可得精確的J積分,因此精確的J積分并不適用于工程中含缺陷結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定[29]。實(shí)際工程應(yīng)用中常用工程估算的方法,簡化J積分求解,增強(qiáng)其適用性。
3 結(jié)束語
承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,其相關(guān)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都在不斷完善和豐富。尤其是在含缺陷承壓設(shè)備的安全評(píng)定中,合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)已成為不可或缺的手段。通過合于使用評(píng)價(jià)方法,基于缺陷或損傷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)含缺陷承壓設(shè)備結(jié)構(gòu)安全可靠性的評(píng)價(jià)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,針對(duì)不同的環(huán)境工況,衍生出線彈性斷裂力學(xué)、COD設(shè)計(jì)曲線、失效評(píng)定曲線、J積分理論等合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)。
隨著模糊數(shù)學(xué)、概率斷裂力學(xué)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的不斷發(fā)展,有大量承壓設(shè)備安全評(píng)定新方法被提出,且評(píng)定方法在不同含缺陷結(jié)構(gòu)工況下的應(yīng)用也在不斷拓展,但仍有諸多不足之處,想要得到合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)在苛刻條件下的精準(zhǔn)應(yīng)用,還需要更多的專家和學(xué)者共同參與。比如含體積型缺陷的安全評(píng)定技術(shù)、三維J積分簡化算法以及苛刻工況下合于使用評(píng)定技術(shù)等問題。因此需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步探索和研究:
a. 合于使用評(píng)價(jià)方法由確定性向可靠性轉(zhuǎn)變,合于使用評(píng)價(jià)所需的材料、應(yīng)力、溫度、缺陷尺寸等都具有分散性,需要采用可靠性方法予以考慮,即基于概率斷裂力學(xué)的安全評(píng)定方法,目前國外主流標(biāo)準(zhǔn)采用基于可靠性的分安全系數(shù)法,是當(dāng)前的發(fā)展方向之一。國際上以英國R6為代表,其第4版增加了基于概率斷裂評(píng)定的方法。
b. 隨著新型化工能源裝置的快速發(fā)展,復(fù)雜、極端工況下材料及結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理、失效模式和安全評(píng)價(jià)方法仍不明確,需要進(jìn)一步研究建立評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,先進(jìn)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展有利于提高合于使用評(píng)價(jià)精度。高溫工況下的裂紋缺陷、材料斷裂韌性的檢測(cè)、材質(zhì)劣化及蠕變損傷、應(yīng)力應(yīng)變等檢測(cè)技術(shù)仍需提升,因此先進(jìn)無損及微損檢測(cè)技術(shù)對(duì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性具有重要意義。
c. 合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展,其中基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全評(píng)定系統(tǒng)對(duì)于高度非線性問題的運(yùn)用最為廣泛。國外TWI CrackWISE、Codeware INSPECTs等評(píng)價(jià)軟件已經(jīng)較為成熟,并得到較好的應(yīng)用,目前國內(nèi)雖有一些研究院所開發(fā)但成熟度不高,還需進(jìn)一步追趕和發(fā)展。未來合于使用評(píng)價(jià)技術(shù)有望與數(shù)字工廠、數(shù)字孿生、智能運(yùn)維等技術(shù)深度融合,促進(jìn)承壓設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)防控一體化技術(shù)和平臺(tái)的構(gòu)建。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] ZERBST U,SCHODEL M,WEBSTER S,et al.Fitness?for?Service Fracture Assessment of Structures Containing Cracks[R].Britain:Elsevier Ltd.,2007.
[2] 張彥華,夏世琦,陶博浩.石油天然氣管道合于使用評(píng)定的工程方法[J].電焊機(jī),2014,44(11):1-6.
[3] 張杰,吳繼權(quán),邱康勇.氧氣瓶爆炸事故原因分析[J].中國特種設(shè)備安全,2018,34(3):71-74.
[4] BLANCO J M,VAZQUEZ L,PEO?A F.Investigation on a new methodology for thermal power plant assessment through live diagnosis monitoring of selected process parameters;application to a case study[J].Energy,2012,42(1):170-180.
[5] 趙昆.電站鍋爐承壓部件失效模式與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.
[6] 曹香蕾.承壓類設(shè)備安全閥使用中常見故障及其排除方法[J].中國金屬通報(bào),2019(7):161-162.
[7] VALI?IFIGENIA N.Design of pressure equipment subject to fatigue[J].Revista De Chimie,2015,66(4):547-551.
[8] BLETCHLY P J.Management methodology for pressure equipment [J].Alumina and Bauxite,2013(1):808-816.
[9] 顏維龍,魏正祥,曹香蕾.承壓類設(shè)備內(nèi)部腐蝕的成因與防范策略[J].中國金屬通報(bào),2019(7):183-184.
[10] 于廣濤.基于重大危險(xiǎn)源的化工園區(qū)區(qū)域安全評(píng)價(jià)研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學(xué),2017.
[11] 王友義.天然氣管道合于使用評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用[D].大慶:東北石油大學(xué),2017.
[12] 劉碩.耐酸管環(huán)焊接頭失效與安全評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].焊管,2020,43(4):1-7.
[13] 陳秋華,崔礦慶,盧進(jìn),等.海底管道基于風(fēng)險(xiǎn)和可靠性理論的合于使用評(píng)價(jià)[J].油氣田地面工程,2018,37(2):59-64.
[14] INGLIS C E.Stresses in a plate due to the presense of cracks and sharp corners[J].Transactions of the Institution of Naval Architects,1913,55:219-241.
[15] IRWIN G R. Analysis of stresses and strains near the end of a crack transversing a plate[J].Journal of Appliedm Mechanics,1957,24(3):361-364.
[16] 付強(qiáng).失效評(píng)定圖在船體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定中的應(yīng)用[D].武漢:華中科技大學(xué),2013.
[17] 王文龍.基于近場動(dòng)力學(xué)有限寬板應(yīng)力強(qiáng)度因子求解及損傷研究[D].沈陽:沈陽建筑大學(xué),2022.
[18] PALANISWAMY K.Crack propagation under general inplane loading[D].Pasadena:California Institute of Technology,1972.
[19] 楊立云,王青成,王宇偉,等.材料線彈性斷裂力學(xué)的斷裂準(zhǔn)則研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2020,38(2):59-68.
[20] 曲文卿,張鵬,張彥華.石油天然氣輸送管道的缺陷評(píng)定方法及應(yīng)用[J].焊管,2002,25(2):1-6.
[21] 周小華.熔合線含裂紋焊接接頭斷裂性能及其工程安全評(píng)定方法研究[D].西安:西安理工大學(xué),2008.
[22] 鄭心偉.增壓鍋爐汽包疲勞壽命理論計(jì)算方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.
[23]American Petroleum Institute,American Society of Mechanical Engineers. Fitness?for?Service, Second Edition:API 579?1/ASME FFS?1[S].Washington D.C.:American Petroleum Institute,2007.
[24] 帥健,許葵.含裂紋管道的失效評(píng)定曲線的實(shí)例驗(yàn)證[J].機(jī)械強(qiáng)度,2003,25(3):251-253.
[25] 陳沛,查小琴,高靈清.含缺陷壓力容器的安全評(píng)定方法[J].物理測(cè)試,2014,32(1):55-60.
[26] 夏世林,磨季云.基于J積分的含裂紋加筋板在單軸拉伸載荷下的極限強(qiáng)度計(jì)算[J].艦船科學(xué)技術(shù),2021,43(7):34-39.
[27] QING S C, YANG Z, LI X,et al.Nonlinear buckling of cylindrical steel silos with fabrication cracks[J].Powder Technology,2019,353:219-229.
[28]ELDEEN S S, GARBATOV Y, SOARES C G.Experimental compressive strength analyses of high tensilesteel thin?walled stiffened panels with a large lightening opening[J].Thin?Walled Structures,2017,113:61-68.
[29] 白永強(qiáng),帥健,孫亮,等.含缺陷結(jié)構(gòu)J積分工程估算方法研究進(jìn)展[J].壓力容器,2006,23(2):42-45.