一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法
【专利摘要】本发明公开了一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，包括如下步骤：1.搜集数据；2.明确评估寿命；3.确定加载和温度；4.弹性应力分析；5.裂纹表征；6.初始裂纹泄漏和断裂评定；7.判断初始裂纹是否安全；8.判断是否免于蠕变分析；9.计算参考应力和应力强度因子；10.基于初始裂纹尺寸计算持久寿命；11.判断持久寿命是否足够；12.判断是否为稳态蠕变；13.计算稳态蠕变裂纹扩展；14.计算非稳态蠕变裂纹扩展；15.基于当前裂纹尺寸计算持久寿命；16.判断当前持久寿命是否足够；17.当前裂纹泄漏和断裂评定；18.细化评估；19.判断被评定对象是否安全。本发明方法可用于蠕变载荷作用下含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定。
【专利说明】一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，尤其涉及一种蠕变 载荷作用下含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法。
【背景技术】
[0002] 压力管道属承压类特种设备，广泛用于石化、电力、冶金、燃气等过程工业领域，用 于输送有毒、易燃、易爆等危险化学品。这些压力管道通常采用焊接方法现场施焊，不可避 免存在一些缺陷，这些缺陷长期使用后将有可能进一步扩展，一旦发生失效、泄漏或爆炸， 往往并发火灾、中毒、环境污染、放射性污染等灾难性事故，将严重影响人民生命财产安全、 国家经济安全运行和社会稳定。
[0003] 高温环境下服役的压力管道除了具有通常的脆性断裂、塑性垮塌失效模式外，还 存在与环境和时间相关的持久断裂、蠕变载荷作用引起的裂纹萌生与扩展等失效模式。蠕 变裂纹扩展和持久断裂失效模式下的安全评定是高温压力管道合于使用评价、剩余寿命预 测的重要环节，是确保高温压力管道长周期、安全、稳定运行的重要手段。
[0004] 目前美国ASME、英国R5、法国A16、英国BS 7910等标准规范均针对高温压力容器 与压力管道蠕变裂纹萌生扩展、持久断裂等失效模式建立了安全评定技术方法。其中，英国 核电R5规范最先进和完善，该规范基于参考应力技术，分别针对载荷控制、位移控制、载荷 和位移组合控制，给出了持久断裂寿命、蠕变裂纹形核时间、应力再分布时间、循环稳定时 间的计算方法，并针对稳态或非稳态蠕变加载等工况条件，考虑母材和焊缝性能的不匹配 以及焊接残余应力分布，给出了含缺陷高温压力管道的安全评定技术方法。该方法虽较为 完善，但在实际工程应用时较为繁琐。
[0005] 相比之下，我国高温结构完整性评估技术研究起步较晚。本世纪初以来，国内相 关科研机构针对含裂纹类缺陷高温压力容器开展了蠕变断裂参量、蠕变断裂判据、与时间 相关的失效评定图等方面研究，初步解决了含裂纹类缺陷高温压力容器的安全评定技术难 题。但针对高温压力管道，国内目前相关研究主要集中于高温压力管道缺陷在线检测、应变 在线监测、含局部减薄（凹坑）的极限载荷分析等方面，尚未针对裂纹类缺陷建立相应的安 全评定技术方法。
[0006] 高温压力管道的安全评定方法与高温压力容器相比存在较大不同，首先是高温压 力管道所承受的载荷更为复杂，即使是直管段，所承受载荷也往往是弯矩、扭矩、内压载荷 的组合；其次是管道系统热膨胀引起的温度载荷往往占有较大比重，安全评定时通常需要 当做一次应力处理。
【发明内容】
[0007] 为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全 评定方法，适用于工作在蠕变温度范围内的（碳钢材料一般为400°C、CrMo钢材料一般为 45(TC、不锈钢一般为54(TC )、压力彡0. IMPa的高温压力管道安全评定，包括如下步骤：
[0008] SI :获得被评定对象的详细资料与材料性能数据
[0009] 搜集被评定压力管道的以下详细资料：
[0010] 制造竣工图、强度计算书、制造验收记录、工作介质、工作温度、载荷状况、运行和 故障记录、历次检修与维修报告；
[0011 ] 搜集被评定压力管道的以下材料性能数据：
[0012] 持久性能数据、蠕变变形数据、持久断裂延性数据、蠕变裂纹扩展速率数据、断裂 韧性数据、拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；
[0013] S2 :确定被评定对象的评估寿命
[0014] 确定被评定对象迄今已服役寿命t。、将来预期服役寿命ts，则评估寿命为心二 t〇+tS ;
[0015] S3 :确定加载条件和温度历史
[0016] 根据操作工况确定评估寿命〇?h期间内被评定对象的加载条件和温度历史；
[0017] S4 :无裂纹体弹性应力分析和分类
[0018] 假定被评定对象材质均匀，按第S3步的加载条件和温度历史进行无裂纹结构的 应力分析，将应力划分为一次应力和二次应力；
[0019] 一次应力为压力载荷、管道系统载荷产生的应力，二次应力为焊接残余应力、其他 非焊接引起的残余应力；
[0020] S5 :裂纹表征与规则化
[0021] 通过无损检测和金相观察，确定裂纹的位置和类型，按照GB/T 19624《在用含缺陷 压力容器安全评定》进行裂纹的表征和规则化；
[0022] S6 :基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定
[0023]利用初始裂纹尺寸aQ、被评定对象的工况条件、材料的断裂钿性和拉伸性能数据， 按照GB/T 19624进行泄漏和断裂评定；
[0024] S7 :判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受
[0025]按照GB/T 1%24判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则执行第S8步，判 断是否免于蠕变失效分析；否则，执行第S18步，改进评估过程；
[0026] S8 :判断是否免于蠕变失效分析
[0027]-判断被评定对象是否免于蠕变失效分析，若是，则被评定对象可以继续服役；否 贝1J，执行第S9步，计算一次载荷参考应力与应力强度因子；
[0028] 免于蠕变失效分析的判断条件为：
[0029]
【权利要求】
1. 一种含裂纹类缺陷高温压力管道的安全评定方法，所述高温压力管道工作在蠕变温 度范围内、压力彡0.IMPa，其特征在于包括如下步骤： 51 :获得被评定对象的详细资料与材料性能数据 搜集被评定压力管道的以下详细资料： 制造竣工图、强度计算书、制造验收记录、工作介质、工作温度、载荷状况、运行和故障 记录、历次检修与维修报告； 搜集被评定压力管道的以下材料性能数据： 持久性能数据、蠕变变形数据、持久断裂延性数据、蠕变裂纹扩展速率数据、断裂韧性 数据、拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比； 52 :确定被评定对象的评估寿命 确定被评定对象迄今已服役寿命h、将来预期服役寿命ts，则评估寿命为h=h+k; 53 :确定加载条件和温度历史 根据操作工况确定评估寿命〇?h期间内被评定对象的加载条件和温度历史； 54 :无裂纹体弹性应力分析和分类 假定被评定对象材质均匀，按第S3步的加载条件和温度历史进行无裂纹结构的应力 分析，将应力划分为一次应力和二次应力； 一次应力为压力载荷、管道系统载荷产生的应力，二次应力为焊接残余应力、其他非焊 接引起的残余应力； 55 :裂纹表征与规则化 通过无损检测和金相观察，确定裂纹的位置和类型，按照GB/T19624《在用含缺陷压力 容器安全评定》进行裂纹的表征和规则化； 56 :基于初始裂纹尺寸的泄漏和断裂评定 利用初始裂纹尺寸％、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性能数据，按照GB/T19624进行泄漏和断裂评定； 57 :判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受 按照GB/T19624判断初始裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则执行第S8步，判断是 否免于蠕变失效分析；否则，执行第S18步，改进评估过程； 58 :判断是否免于蠕变失效分析 判断被评定对象是否免于蠕变失效分析，若是，则被评定对象可以继续服役；否则，执 行第S9步，计算一次载荷参考应力与应力强度因子； 免于蠕变失效分析的判断条件为：
式中j= 1，…，N表示不同的载荷条件，&为第j个加载条件下的服役时间，为第j个加载条件下的允许时间； 59 :计算一次载荷参考应力与应力强度因子 一次载荷参考应力计算公式为：
式中P为一次载荷，。y为屈服应力，PJ〇y，a)为与屈服应力Oy和裂纹尺寸a相对应 的结构塑性垮塌载荷，L为载荷比； 应力强度因子KJa)为一次应力强度因子Kp(a)和二次应力强度因子Ks(a)之和，按以 下公式计算： K0 (a) =Kp (a) +Ks (a) (3) 510 :基于初始裂纹尺寸计算持久断裂寿命 基于初始裂纹尺寸％计算持久断裂寿命tm(l ; 当一次载荷在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命按以下公式计算：
式中tr[ 〇 ]为传统应力-断裂时间曲线上与应力〇相对应的持久断裂时间，arpef(a) 为与当前裂纹尺寸a相对应的一次载荷参考应力； 当应力松弛在蠕变裂纹扩展过程中占主导地位时，持久断裂寿命按以下公式计算：
式中4?)是与蠕变应变速率相关的蠕变延性； 511 :判断tm(|是否大于& =to+tf； 判断tm(l是否大于h=h+k，若是，则执行第S12步，判断结构是否处于稳态蠕变阶段； 否则，执行第S18步，改进评估过程； 512 :判断结构是否处于稳态蠕变阶段 判断结构是否处于稳态蠕变阶段，若是，则执行第S13步，计算稳态蠕变阶段的蠕变裂 纹扩展；否则，执行第14步，计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展； 结构处于稳态蠕变阶段的判断条件为：t>tred (6) 式中t为服役时间，trad为应力再分布时间； 当只有一次载荷作用时，tMd按以下公式计算：
式中如V]为单轴蠕变变形数据上与当前裂纹尺寸a相对应的、一次载荷参考应 力作用下经过t时间之后累积的蠕变应变； 对于载荷和位移组合控制的加载条件，当KtZKp < 3、弹性随动因子Z< 3时，tMd计算 公式为：
513 :计算稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展 稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：
式中A、qi为稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，4为当前参考应力和蠕变应变 下的蠕变应变速率，为参考应力作用了时间t以后累积的蠕变应变，R'为特征长度； 514 :计算非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展 非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展计算公式为：
式中A2、q2为非稳态蠕变阶段的蠕变裂纹扩展模型参数，e。为截止t时刻累积的蠕变 应变，h为参考应力下的弹性应变； 515 :基于当前裂纹尺寸计算持久断裂寿命 基于蠕变裂纹扩展后的当前尺寸，按照公式（4)或（5)计算持久断裂寿命tm; 516 :判断是否大于t2 =tQ+l. 25ts 判断是否大于t2 =h+1. 25ts，若是，则执行第17步，基于当前裂纹尺寸进行泄漏和 断裂评定；否则，执行第18步，改进评估过程； 517 :基于当前裂纹尺寸的泄漏和断裂评定 利用蠕变裂纹扩展后的当前尺寸、被评定对象的工况条件、材料的断裂韧性和拉伸性 能数据，按照GB/T19624进行泄漏和断裂评定； 518 :改进评估过程 改进评估过程为以下一种或几种情况的综合： 1) 降低被评定对象的预期服役寿命ts，并在到达此时间之前进行再次评估； 2) 改变被评定对象未来服役工况，以降低损伤累积速率和蠕变裂纹扩展量； 3) 按照被评定对象服役工况下的平均载荷或平均温度进行应力分析，以降低按照峰值 载荷或峰值温度进行应力分析所导致的结果偏保守性； 4) 采用实测的被评定对象材料性能数据，代替选择的通用数据； 519 :判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受 按照GB/T19624判断当前裂纹尺寸是否安全或可接受，若是，则被评定对象可继续服 役；否则，被评定对象需维修、更换部件或退役。
【文档编号】G06F19/00GK104268383SQ201410475526
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】陈学东, 范志超, 杨铁成, 江慧丰, 董杰, 涂善东, 轩福贞 申请人:合肥通用机械研究院