国家标准《在用含缺陷压力容器安全评定》的特

?必威动态 ????|???? ?2019-08-03 11:25


  压力容器和压力管道是具有潜在爆炸危险的特殊承压设备,一旦发生爆炸或泄漏,就会造成灾难性事故。因此,确保此类设备的安全性,不仅对于保护和发展生产力具有重要的意义,而且对于维护社会安定和促进改革开放更具有重要的意义。
  由于历史、技术和管理上的原因,压力管道和20世纪80年代之前生产投入使用的压力容器普遍存在制造质量差、缺陷严重等突出问题,加上不少设备超期服役,/带病“运行和安全评估技术落后,爆炸和泄漏事故时有发生。因此,依靠科学技术,对此类设备中的缺陷进行科学的安全评估,降低事故率,有效保障安全生产,是十分重要和迫切的。/八五”国家重点科技攻关课题/在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究“和‘九五”国家重点科技攻关专题/在役含缺陷压力管道安全评定关键技术研究*针对国内压力容器与压力管道长期存在的共性问题,依据弹塑性断裂理论和安全评定技术的进展,组织国内的专家,进行系统的含缺陷压力容器与压力管道安全评定技术研究,对若干关键的技术问题进行了重点攻关和综合研究,取得了一系列达到国际领先或国际先进水平的成果。
  以上述研究成果为基础,经过多年不懈地系统总结、继承和吸取国内外关于压力容器与压力管道安全评定的理论、技术实践和经验,国家标准GB/T19624*20045在用含缺陷压力容器安全评定》颁布了。这一标准集成了国内压力容器与压力管道安全评定的最新研究成果和工程实践经验,使国内在用含缺陷承压设备安全评定技术提高到当代国际水平,为降低国内压力容器与压力管道灾难性事故率提供了有效的技术手段,并为提升国内在用压力容器与压力管道科学管理水平以及加入WT0后与国外的技术和经贸关系奠定了一定的技术基础。
  文中简要综述了该标准的特点和创新点。
  1该标准的特色和创新点该标准具有如下12个特色和创新点。
  1.1压力容器的断裂及塑性失效评定采用三级评定的技术路线20世纪80年代以来,世界各国出版或再版了一系列缺陷安全评定标准和规程。其中的R6―86第3次修订版、PD6493*91JIW/I1S导则SST-1157-90等但PD6493的三级评定和R6的三级评定无论在目的还是方法上均有较大差别。
  R6方法的三级评定可简称为3种选择、3种类别。R6方法完全采用失效评定图技术,而失效评定曲线有3种选择:第3选择是严格的K=/=失效评定曲线;第2选择是Ainsworth提出的仅反映材料性能而忽视结构因素的以应力法进行简化的失效评定曲线;第1选择是按各种材料的选择二曲线的下包络线作出的保守的通用失效评定曲线,非常简单,可用于任何材料和任何结构。3种类别是指评定的3个不同目的,即起裂评定、有限量撕裂评定和撕裂失稳评定。R6的三级评定较全面地反映了以失效评定图技术为基础的断裂(fracture)评定方法。
  PD6493-91的三级评定也都采用失效评定图技术:第1级评定实际上继承了老版的COD设计曲线法,但是以失效评定图的形式表示,是初步的筛选方法;第2级采用了在新版R6中己经放弃的老版R6的以D-M模型为基础的通用失效评定图;第3级评定采用R6的选择2曲线,并在应力应变曲线不能确定时采用R6的选择1的通用失效评定曲线。作为其主要的、新的、全面的评定方法,第2级评定和第1级评定一样,均以评定点落在失效评定曲线以内还是以外来判断其安全程度。应该指出,该方法并未明确评定是起裂评定还是有限量撕裂评定。
  本标准的失效评定也采用三级评定的技术路线,与英国CEGBR6面缺陷的简化评定、平面缺陷的常规评定和平面缺陷的分析评定,也可称为一级、二级、三级评定。三级评定的技术路线,既积极跟踪国际先进技术,对其进行继承和发展、从而与国际接轨,又反映了国内成熟的科研成果和实践经验,从而具有中国特色。
  合国内国4情的厉依据,拍也为缺陷的常规评规评定与分析评定之间合理衔接,://www.cnkinet COD设计曲线,但PD6493-91采用失效评定图形式,将它的COD曲线转变为失效评定图,这一技术为本标准简化评定的建立提供了借鉴。因此,本标准采用BSIPD6493-91的办法,将COD设计曲线转换为失效评定图的形式。
  本标准的简化评定方法在以下方面与PD6493 -91是一致的:采用以为纵坐标并用符号JD表示的简化失效评定图;考虑安全系数为2,即以D/ 2为临界条件,从而确定了呈水平状的断裂(fracture)失效评定曲线JDD h)/2S)表示,并限制Sr=0.8,即以Sr=08为截止线;所以评定点以为参量时的简化失效评定图是矩形的。
  -91的D按Burdikin的COD设计曲线计算,而本标准按CVDA 8~1.2时,在此区间内,宽板试验的断裂点常落在Bu-dikin设计曲线之上和CVDA曲线之下,说明CVDA -91更符合实际,技术更为先进,评定更为安全。不锈钢储罐有较强的耐腐性,它不受外界空气及水中余氯腐蚀。每个球罐出厂前均经受超强的压力测试和检验,在常压下使用寿命可达100 年以上。
  1.3压力容器平面缺陷的常规评定方法采用R6第3修正版的通用失效评定曲线并选取了符合国内国情的分安全系数从先进性、成熟性、工程实用性综合考虑,本标准在常规评定中采用R6的通用失效评定图进行防止起裂的评定。其原因如下:20世纪90年代,世界各国发表的所有标准和规程均采用R6的通用失效评定图,说明它是世界公认的工程评定方法。采用技术上较成熟的R6通用失效评定图,既与国际接轨,又便于与国外标准和规程对比,有利于对该标准中一些细节作出评价。
  924-02-02专题建立的国内常用压力容器用钢的母材、焊缝、各种试板、容器、焊接接头、各种穿透裂纹和表面裂纹、高应变区裂纹、应变时效或温度影响下的800多条严格的J积分失效评定曲线与R6通用失效评定曲线对比表明:在绝大多数情况(Condition)下,R6通用失效评定曲线是偏于安全的,虽然在个别情况下,严格失效评定曲线会比R6通用失效评定曲线略低,但所有曲线的下包络线在Lr  20世纪末,欧盟各国组织研究编制了欧洲统一的工业结构完整性评定方法SINTAP-99,R6发表的第4版也作了相应的修改。分气缸也叫分汽包,它是 蒸汽锅炉的主要配套设备,广泛用于发电、石油化工、钢铁、水泥、建筑等行业。其中,针对长屈服平台用钢的失效评定曲线与无屈服平台用钢有很大差异,发展了一种新R6称为有屈服平台材料的近似选择2曲线,SINTAP称为第1级之一的有屈服平台失效评定曲线,从而解决了采用R6通用失效评定曲线时被迫取1所带来的一些问题。2003年,根据国外这一最新成果对该标准草案作了局部修改,即根据新R6的有屈服平台材料的近似选择2曲线与新R6通用失效评定曲线的差异,给出了不同强度长屈服平台用钢在不同情况下值的规定,从而使得该标准表面上只采用了一条通用失效评定曲线,但实质上达到了同时采用新R6有长屈服平台和无屈服平台材料的两条近似选择2曲线的效果。
  1.4压力容器平面缺陷的分析评定采用EPRI-82工程优化方法,并有创新平面缺陷的分析评定直接采用J积分为断裂参量,是最严格的弹塑性断裂力学方法,该方法能精确地评定含缺陷容器从起裂、有限量撕裂、直至撕裂失稳的全过程。PD6493-91的第3级评定采用通用失效评定曲线及R6的选择2曲线并非严格的失效评定曲线,难于达到精确评定的目的。R6的选择3失效评定曲线及第3类评定方法能达到精细评定的要求。精细评定也可以采用与R6选择3等价的、由EPRI建立的稳定性评定图法中J的失稳条件,根据阻力曲线与推力曲线相切来确定其失稳点,但切点难于判别。该标准采用/优化“方法,即由给定的ak寻求满足平衡条件J=Jr的相容应力k,各相容应力的极大值即为失稳应力,并用App来实现,称为EPRI工程优化评定方法,反映了国内的创新成果。
  分析评定需要非常详尽的原始资料,例如可靠的J积分解和材料的整条Jr阻力曲线等。因此,分析评定主要用于重要的大型容器或部件含有常规评定方法不能通过的缺陷且又难于返修的场合。同时,分析评定方法也是常规评定方法的技术基础,是研究、发展、评价常规评定方法和简化评定方法的重要手段。
  目前,仅有部分含裂纹结构的J积分解,因而,还不是任何情况下都能采用分析评定,且只能由专家使用。
  时逆福-通不再守恒,墟技术难度较采用通lishingH在疲劳慰桦愚寸和雄的计算。笕在平面缺陷的简化评定、常规评定和分析评定中,分别采用了不同的分安全系数,使三级评定方法合理衔接。通过简化评定与常规评定各自在失效评定图上的“安全”区域的比较、各自的“额外”安全裕度估算比较、以及大量的实际或模拟案例(àn lì)的评定结果的比较,均未发现简化评定通过而常规评定不通过的/逆转“情况。对不少评定案例同时采用常规评定与分析评定方法进行评定,结果表明也不存在/逆转”现象。这种合理的衔接安排,为三级评定方法建立了各级既相对独立,又相互联系和衔接的合理关系,也为用户根据实际情况采用任何一级安全评定方法进行平面缺陷的安全评定提供了可能。用户一般可先采用简化评定,该标准允许在简化评定不通过时采用常规评定或在可能的情况下直接采用分析评定对含缺陷结构做出安全与否的最终评价;或当常规评定不通过时,在可能的情况下可采用分析评定方法对其进行分析评定,以便更科学地给出安全与否的最终结论。
  1.6采用/八五“重点科技攻关首创的压力容器凹坑缺陷塑性极限载荷分析法,对凹坑缺陷进行安全评定凹坑是压力容器常见缺陷之一。凹坑可能由腐蚀或机械损伤产生,也可能由于打磨表面裂纹或近表面的其他缺陷而形成。凹坑比裂纹安全得多,如果能提供可靠的凹坑缺陷的安全评定方法,不仅可使相当部分的凹坑免于焊补,并可避免焊补导致新裂纹产生的危险,有重大的现实意义。
  压力容器凹坑的塑性破坏可能是整体塑性垮塌,也可能是凹坑底部局部塑性破坏。通过对大量带各类凹坑缺陷的平板、球壳、筒壳的弹塑性分析、极限载荷分析、安定性载荷计算及一些实验验证,发现凹坑对容器塑性极限承载能力的削弱与凹坑无因次深度c/t及凹坑无因次长度a/7"RT之积密切相关(related),并由此确定了无量纲参数Go.研究表明:在G  本标准提出的凹坑缺陷评定方法,理论严谨、概念清晰、方法简单,并己在工程应用中处理了相当多的案例,是国内首创的一种方法,可以/解放“相当大一部分凹坑缺陷。在无面型缺陷同时存在时,这一工程方法是足够保守和相当安全的。
  1.7采用了/八五“重点(zhòng diǎn)科技攻关中处理二次应力的工程方法等最新成果焊接压力容器不可避免地存在焊接残余应力及热应力等二次应力。二次应力是自平衡应力,又具有自限性,在外力作用下可能局部塑性松驰或再分布,X寸断裂的影响有时很大,有时很小。存在二次应力用失效评定曲线及Ainsworth提出的P因子来处理二次应力的方法代表了国际上最先进的水平。但是,R6的编者在背景材料中亦不得不承认这个方法用于小裂纹位于高值残余拉伸应力区是不安全的,用于其他情况又过分保守,从而引起不少争议和新建议。/八五”攻关中建立了有二次应力存在时守恒的修正J积分及其计算程序(procedure),揭示了R6的P因子存在问题的症结所在,即在推导过程中所采用的一个假设是错误的,从而导出了一套比R6法更先进的P因子。理论和试验都证明这套P因子比R6的P因子更符合客观实际,具有国际先进水平。本标准采用了/八五“攻关的这一最新成果用于平面缺陷的常规评定。
  此外,在有二次应力存在下的严格弹塑性断裂力学理论分析计算证明:CVDA―84中处理二次应力的系数X.不是常数,且变化很大。从既要保持原有评定方法,又要保证安全的角度出发,该标准对CVDA 1.8采用了国内首创的裂纹间弹塑性干涉效应分析法在工程实际中,缺陷往往不是孤立存在的。目前,世界各国的标准和规程都规定:相邻缺陷的存在导致应力强度因子加率达到一定程度时,必须将此两条裂纹作为己贯穿的一个大裂纹处理。/八五“攻关研究发现:裂纹间的弹塑性干涉效应G=双J单比线弹性干涉效应K琢/Ki单大得多,并与材料的本构关系和载荷水平有关。例如两相邻等长裂纹间距超过裂纹长度时,按其他标准和规程的规定,不考虑二者间的相互影响。但计算表明:对A533B材料来说,在L>1时,G可达到1.4;对于16MnR,当Lr=1时,G可达21.显然,在这种情况下忽视缺陷间的相互影响会带来危险的后果。/八五”科技攻关研究表明:只要在单裂纹的应力强度因子上乘以相邻缺陷的弹塑性干涉效应G,即可利用通用失效评定曲线完成考虑裂纹间弹塑性干涉效应的断裂评定。该标准根据不同应力应变关系材料的计算结果给出了G值的估算公式,并以表格的形式给出了其数值解,使用方便,这属国际首创。
  1.9在疲劳评定中充分考虑科学、安全和简便在疲劳评定中尽可能从服役容器上取样,按GB6398一1986《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》的规定进行实验。根据实验数据,用最小二乘法回归计算得到参数A和m,并且用最小二乘法回归得到的A值应乘以一个不小于4.0的系数后才能作为评定所取用的A值。实验数据表明:对16MnR等材料而言,按这一规定进行参数选择,存活率在99.99%以上。
  应力变化范围历程逐个循环计算法。研究表明:基于Paris公式及Newman-Rujas应力强度因子解的逐个循环计算法,不仅其理论较为严密,而且其精度比WES2805 *83的川原正言法及BSIPD6493-91的多级S-N曲线法高。除逐个循环计算法外,还建议采取分段计算法,可以大幅度减少计算工作量,甚至可以用手工完成。
  对于免于疲劳评定的判断,不仅给出Ki  1.10压力管道周向面型缺陷安全评定采用了/九五“重点科技攻关创新性研究成果一U因子工程评定方法在压力管道面型缺陷安全评定方面,采用了国家自由选择安全系数的简化因子工程评定方法一以起裂为断裂判据,同时可以完成含周向面型缺陷压力管道起裂和塑性失效安全评定的U因子工程评定方法。该方法评定过程极为简便,只需查表进行简单的算术运算就可以完成拉、弯、扭、内压联合载荷作用下的周向面型缺陷安全评定。国际上至今还没有适应面如此广、评定过程如此简便、且评定精度很高的工程评定方法。
  1.11压力管道体型缺陷安全评定采用了/九五“重点(zhòng diǎn)科技攻关创新性研究成果一含局部减薄缺陷压力管道塑性极限载荷工程评定方法与含凹坑压力容器安全评定相比,含局部减薄压力管道安全评定更为复杂。首先,压力管道除承受内压外,还同时承受拉、弯等组合载荷;其次,安全评定所需要的管系内力和管道应力一般只能通过(tōng guò)数值计算分析的方法求得,这对于一般检验和评定人员而言具有很大的难度。为解决上述难题,本标准采用了国家‘九五”科技攻关专题提出的以塑性极限载荷理论和含局部减薄压力管道塑性极限载荷拟合计算公式为基础的工程评定方法,尤其是采用了无须进行复杂的管系内力和管道应力计算、应用极为简便的免于评定条件。该标准提出的局部减薄缺陷安全评定方法理论严谨、方法简单,是国内首创的一种管道缺陷安全评定方法。
  将此方法偏保守地应用于含其他体型缺陷管道,可以进行含气孔、夹渣和失效模式为塑性失稳的未焊透等缺陷的压力管道的安全评定。
  1.12强调了/安全评定的一般原则“、”失效模式的判断“以及/安全评定方法的选择‘的必要性和重要性本标准强调了在用含缺陷压力容器安全评定的一般原则:安全评定应包括对评定对象的状况调查、缺陷检测、缺陷成因分析、失效模式判断、材质检验、应力分析、必要的实验与计算,并根据该标准的规定对评定对象的安全性进行综合分析和评价。
  对失效模式的判断和安全评定方法的选择进行了原则规定:判断失效模式应依据同类压力容器或结构的失效分析和安全评定案例与经验、被评定的压力容器或结构的具体制造和检验资料、使用工况以及对缺陷进行的理化检验和物理诊断结果,对可能存在的腐蚀、应力腐蚀、温度环境和系统状况等对失效模式和安全评定的影响,应予以充分的考虑。安全评定方法的选择应以避免在规定工况下安全评定期内发生各种模式的失效而导致(cause)事故的可能为原则,对各种可能的失效模式进行判断或评价后,才能作出含缺陷容器、结构是否安全的结论。
  上述规定从内涵上指出了对在用含缺陷压力容器进行安全评定时,将力学的安全评定技术和方法与物理上的安全评定技术和方法紧密结合的必要性。
  2结束语综上所述,本标准是通过/八五“国家重点科技攻关研究,吸取了/九五”国家重点科技攻关的部分成果,经过12年的研究、撰写、修改和不断完善后完成的。储气罐专门用来储存气体的设备,同时起稳定系统压力的作用,根据储气罐的承受压力不同可以分为高压储气罐,低压储气罐,常压储气罐。它是国内科技工编辑潜心研究的结果,是一部拥有自主常识产权的先进的大型国家标准。它的颁布、发行和实施,不仅为国内压力容器与压力管道的安全评定提供了可共同遵循的、权威的科学方法,也必将进一步推动国内在用含缺陷压力容器与压力管道安全评定工作的开展,更好地保障此类设备的安全,并将进一步促进国内压力容器与压力管道整体安全评价和风险评估科学技术和方法的研究、发展和提高。
  应该指出,该标准的主体是在1995年前的“八五”
  攻关中完成的,距今己10年了。近十年来,国内外在结构完整性评定技术方面,无论是深度还是广度,都有了很多新的发展。该标准还应与时俱进,争取再版时得到进一步的完善和提高。