10.压力容器缺陷的评定.ppt

第十章压力容器缺陷的评定上一章概括地介绍了断裂力学工程应用的范围和基本指导原则，本章将具体地介绍压力容器缺陷评定的应用方法。美、日、英等国及一些国际学会都已采用断裂力学方法来评定压力容器的缺陷，有的国家还制定了规范或标准草案。在国外经验的基础上，我国由压力容器学会和化工机械与自动化学会联合牵头，并集合许多高校和研究所的专家学者，进行了大量的试验，也建立了压力容器缺陷评定规范CVDA-1984。这里扼要地介绍我国规范的内容，并对所引用的断裂力学资料，给予较详细的背景说明。10.1评定前的准备在规范的总则中，首先给出规范的适用范围。由于我国的容器用钢绝大多数是低碳钢、低碳低合金钢和奥氏体不锈钢等，其屈服强度虽比较低，断裂以韧性断裂为主，但仍有部分断裂可能是脆性的，所以规范中同时采用了应力强度因子和COD两种评定方法。进行安全评定的是带缺陷的钢制压力容器，其壁厚要求是大于等于10mm，屈服强度则应小于等于500N/mm2。考虑的失效方式有脆断、疲劳、泄漏、塑性失稳、应力腐蚀、腐蚀疲劳、蠕变和蠕变疲劳等。本章只介绍脆断和疲劳的安全评定，其他破坏形式的安全评定可参考规范。评定程序按下列步骤进行：1．根据无损检测或其他方法求得缺陷形状和位置及其计算尺寸；2．确定缺陷部位的应力和应变；3．确定缺陷部位有关材料性能数据；4．计算最大允许缺陷尺寸；5．判定所评定的缺陷是否允许；6．如果可能发生脆断以外的破坏形式，还须按针对该破坏形式的有关评定方法进行评定。由评定程序也可看出，在评定以前应获得评定过程中所需的基础数据，这些数据包括：1．缺陷的类型、尺寸、形状和方位；2．缺陷存在区容器的结构与焊缝形式；3．缺陷部位无缺陷存在时的应力和应变；4．材料性能的数据，包括屈服强度、抗拉强度、断裂韧度以及其他破坏形式有关的数据。10.2缺陷的处理为了采用断裂力学方法评定压力容器已经存在的缺陷，规范中规定裂纹、未熔合、未焊透、咬边和叠层等平面型缺陷都简化为“规范化裂纹”。规范化裂纹共有三种，它们分别是半椭圆表面裂纹、椭圆埋藏裂纹和穿透裂纹，见图(10-1)。应力与图的纸面垂直，即垂直裂纹面，因此，都是Ⅰ型裂纹。现把图(10-1)中不规则缺陷简化为规则化裂纹的简化规则分别介绍如下：3．穿透裂纹的简化缺陷沿自由表面方向的最大长度L即为穿透裂纹长度。4．共面裂纹的复合按照图(10-2)的规定，若两个裂纹之间的距离小于图中所规定的值，则复合为一个大裂纹。5．非共面裂纹的复合当两裂纹面之间的最小距离小于较小裂纹的计算尺寸(对未穿透裂纹是指，至少有一个是穿透裂纹则是指)时，可视为共面裂纹。6．斜裂纹的计算尺寸当裂纹面与主应力方向不垂直时，应把裂纹投影到与主应力方向垂直的平面，再进行评定。若是复合应力，应分别投影到与两个或三个主应力方向相垂直的平面，并分别评定。按照复合型裂纹理论来看，这种投影处理是把复合型裂纹简化为一个以上的Ⅰ型裂纹，这是偏于保守的处理方法。在缺陷简化为规则化裂纹后，由于埋藏裂纹和表面裂纹前缘各点的应力强度因子是不相同的，因此，只取最大的应力强度因子来进行评定。对半椭圆表面裂纹，最大应力强度因子处在半短轴的顶点，也即沿板厚最深的一点。对椭圆埋藏裂纹，最大应力强度因子则处在比较靠近自由边界的椭圆短轴的顶点。为了评定方便起见，引入裂纹的等效尺寸，即表面裂纹和埋藏裂纹的最大应力强度因子等于穿透裂纹的应力强度时，此等效穿透裂纹的半长度即是等效尺寸。现分别给出三种规则化裂纹的等效尺寸如下：10.2应力和应变值的确定外载引起的应力按材料力学的应力分析法计算。对于容器在制造过程中因焊缝形状不规则(如出现焊缝增高量、错边、角变形等)，造成几何不连续而产生的应力集中，规范中采用应力集中系数来描述。图(10-3)所示几种焊缝形状的值见于表(10-3)。10.4脆断评定对于简化后的穿透裂纹，如果裂纹长度较大时，应考虑鼓胀效应。当裂纹穿透壁厚，而且又较长时，容器内压将使裂纹部位向外鼓出，因而带来了附加应力，此称为鼓胀效应。此时值应乘上修正因子。设为圆筒形容器或球形容器的半径，则值按下式计算：评定标准：若满足(10-11)则所评定的缺陷是可以接受的。2．COD法CVDA-84规范中，并未明言用COD法评定脆断的条件。事实上只有高强钢制造的厚壁容器带有长裂纹时，才比较有可能发生脆断，而我国常用的容器