针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法
【专利摘要】本发明针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，包含以下步骤：⑴对长期工作的承压结构建立弹塑性本构模型，用以预测所述承压结构的弹塑性响应，为估算其承载极限做准备；⑵运用有限元分析方法研究带各种凹坑及局部减薄缺陷的承压结构在内压或弯矩载荷作用下塑性区域的扩展过程和失效模式，研究各种凹坑及局部减薄所致的不同蠕变损伤对承压结构承载极限的影响，定量地算出承压结构的承载极限值；⑶确定安全评定步骤，对含有蠕变损伤和/或体积型缺陷的承压结构进行安全评估。本发明首次将蠕变损伤与体积型缺陷尺寸的影响紧密结合，制定出适合高温高压下长期工作的承压结构的安全评定标准，具有明确的物理意义，适合在工程中使用。
【专利说明】针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及高温承压结构的安全评定方法，特别是涉及蠕变损伤、体积型缺陷的长期服役后的高温承压结构的安全评定的一种方法。
【背景技术】
[0002]在电力、石化、核能及航空航天等工业领域中高温高压的工艺被广泛采用。在高温高压条件下长期工作的承压结构不可避免地会产生蠕变损伤，加之在制造和工作过程中承压结构常常会产生夹渣、凹坑、减薄等体积型缺陷，这些蠕变损伤和体积型缺陷会削弱承压结构的承载极限，会给设备带来安全隐患，甚至可能造成泄漏、爆炸等事故。能在高温高压条件下运行的设备一般价格较高，出于对安全的考虑，人们对于存在缺陷或者安全隐患的设备一般不会再用，或维修或报废，这就会产生较大的经济损失。因此，如何科学、准确地对高温高压条件下运行的设备进行安全评定和及时合理的维修，排出安全隐患，预防事故发生，就成为业界亟待解决的问题。
[0003]对可能存在蠕变损伤或体积型缺陷的高温高压设备进行安全评定和分析的一个重要内容是对结构承载极限的分析。通过承载极限的分析，可以确定高温高压设备在外载荷下的极限承载能力。目前，人们一般认为:当结构中的一点或者局部发生屈服的时候，并不会导致结构整体的破坏，只有当结构发生整体垮塌时，才失去承载能力。就目前的安全评定标准而言，国外现有的一些针对体积型缺陷的压力容器安全评定标准没有考虑高温的工况，对于缺陷的规定容限总体上过于保守，在某些情况下又显得不够安全。我国《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T19624-2004)未涉及高温下结构的蠕变损伤机制，没有考虑由于蠕变损伤对结构承载极限的影响。因此，目前的安全评定标准似乎都不适合用于对涉及蠕变损伤、体积型缺陷的高温结构的安全评定。
[0004]在我国，已有多项专利公开了对高温高压设备进行安全评定的方法，如中国专利CN201010130569 “受内弯扭复杂载荷的含未焊透缺陷压力管道安全控制法”、CN201010507537 “含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法”、CN200810162026 “含未焊透缺陷的压力管道安全评定方法”，但是，这些专利文献多研究的是平面缺陷，未考虑高温蠕变损伤的因素。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提出一种针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，可对高温高压下长期工作的承压结构进行安全评定；并且……
[0006]为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。
[0007]—种针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征是，包含以下步骤:
[0008](I)对长期工作的承压结构建立弹塑性本构模型，用以预测所述承压结构的弹塑性响应；在本步骤中，基于Ramberg-Osgood模型构建一个稱合材料各向同性的螺变损伤的弹塑性本构模型，将所述承压结构所受到的蠕变损伤耦合到弹塑性本构模型中，预测长期服役后的承压结构的弹塑性响应，进而为估算其承载极限做准备；
[0009](2)在步骤(1)的基础上，得到含有蠕变损伤材料的力学特性，运用有限元分析方法，研究带各种形状、尺寸的凹坑及局部减薄缺陷的承压结构在内压或弯矩载荷作用下塑性区域的扩展过程和失效模式，研究各种凹坑及局部减薄缺陷所致的不同蠕变损伤对所述承压结构承载极限的影响，定量地算出所述承压结构的承载极限值；
[0010](3)根据步骤(2)有限元的分析和计算结果及拟合公式，确定安全评定步骤，对含有蠕变损伤和/或体积型缺陷的承压结构进行安全评估，从而评估该承压结构的安全状态。
[0011]进一步，步骤(1)所述弹塑性本构模型的构建方法为:
[0012](I)不考虑氧化、腐蚀等环境因素的影响，从微观组织的角度分析，所述蠕变损伤受三种因素的综合影响:粒子粗化、固溶元素贫化以及微空洞形核长大；
[0013]设:
[0014]由粒子粗化导致的蠕变损伤为Dp ；
[0015]由固溶元素贫化导致的蠕变损伤为Ds ；
[0016]由微空洞形核长大导致的蠕变损伤为Dn ；
[0017]Dp的损伤速率为:
[0018]
【权利要求】
1.针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，包含以下步骤: (1) 对长期工作的承压结构建立弹塑性本构模型，用以预测所述承压结构的弹塑性响应；在本步骤中，基于Ramberg-Osgood模型构建一个稱合材料各向同性的螺变损伤的弹塑性本构模型，将所述承压结构所受到的蠕变损伤耦合到弹塑性本构模型中，预测长期服役后的承压结构的弹塑性响应，进而为估算其承载极限做准备； (2)在步骤(1)的基础上，得到含有蠕变损伤材料的力学特性，运用有限元分析方法，研究带各种形状、尺寸的凹坑及局部减薄缺陷的承压结构在内压或弯矩载荷作用下塑性区域的扩展过程和失效模式，研究各种凹坑及局部减薄缺陷所致的不同蠕变损伤对所述承压结构承载极限的影响，定量地算出所述承压结构的承载极限值； (3)根据步骤(2)有限元的分析和计算结果及拟合公式，确定安全评定步骤，对含有蠕变损伤和/或体积型缺陷的承压结构进行安全评估，从而评估该承压结构的安全状态。
2.根据权利要求1所述的针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，步骤(1)所述弹塑性本构模型的构建方法为: (1)不考虑氧化、腐蚀等环境因素的影响，从微观组织的角度分析，所述蠕变损伤受三种因素的综合影响:粒子粗化、固溶元素贫化以及微空洞形核长大； 设: 由粒子粗化导致的蠕变损伤为Dp ； 由固溶元素贫化导致的蠕变损伤为Ds ； 由微空洞形核长大导致的蠕变损伤为Dn ； Dp的损伤速率为:
3.根据权利要求2所述的针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，根据所述推导出的公式(1-1)到(1-4)，得出蠕变时间与损伤的关系图；若已知某材料蠕变的时间，则可推算出其总损伤量D，将D带入公式(1-6)，得出这一蠕变损伤下的应力应变关系图；根据应力应变关系图即可求得弹性模量，屈服强度，抗拉强度以及对应的应变等，将这些参数带入有限元软件，对各种形状尺寸的结构进行弹塑性分析，得到结构的载荷位移曲线，进而求出结构的极限载荷。
4.根据权利要求1所述的针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，步骤(2)所述的有限元分析方法是指基于增量有限元理论的分析方法，所述方法注重载荷加载过程，能关注到加载过程中结构应力-应变场的变化；其确定极限载荷的原理是:在有限元分析中将载荷不再增大或者有微量增大而位移或应变增量很大时的载荷确定为极限载荷，其步骤包括: ①载荷加载采用自动步长，迭代至有限元计算发散为止； ②通过已加载到发散的步长，得到对应的总得加载步长，然后确定发散时加载的载荷值； ③分析重点部位的加载步和应变的关系，通过载荷-位移曲线，确定结构的极限载荷。
5.根据权利要求1所述的针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，步骤(3)所述的安全评估包括: ①对含凹坑的承压结构的极限载荷的评估 I、参数的无量纲化 设:缺陷尺寸的无量纲参数为gO，其表达式为
【文档编号】G06F19/00GK103995957SQ201410156138
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】王宁, 涂善东, 刘洪起 申请人:华东理工大学