第七章-承压设备缺陷评定与风险评估技术.ppt

1、2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,1,第七章 承压设备缺陷评定与风险评估,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,2,7.1 承压设备缺陷评定概述 目前随着焊接技术的发展，各类承压设备均已采用焊接方法制造。 水密性和气密性好 连接强度高 焊接结构的优点 结构简单 易制造 成本低 承压设备壁厚不受限制或限制不大,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,3,存在热应力、残余应力 焊接变形可能导致形状改变，裂纹甚至焊接结构的缺点 开裂 难免存在气孔、夹渣、未焊透、未熔合 及裂纹等焊接缺陷（焊接不连续） 目前的无损检测技术还很不完善，可能使得焊接缺陷或裂纹漏检，或者因检测数据不

2、准确，致使焊接承压设备存在着断裂的危险。 对于新制造的或已有的承压设备结构的焊接接头，必须用无损检测方法对其内部质量进行精确的检查，而且根据已建立的缺陷验收标准，对已检出缺陷进行评定，以判定承压设备在允许范围内的可靠性，这就是所谓的安全评定。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,4,7.1.1 缺陷评定标准缺陷评定有两类标准：质量控制和 “合乎使用”标准。质量控制标准以多年积累的经验为基准，对焊接构件提出质量要求，以确保焊接构件质量大体保持在某种水平上，是任意的、保守的。标准的内容简单、方法容易，对监控焊接质量具有重要价值。这类标准的安全余量幅度大，评定结果偏于保守。实际焊接结构存在

3、缺陷几乎不可避免，而质量控制标准要求结构不准存在裂纹一类缺陷，一经发现，必须进行返修或报废。这对于某些裂纹返修很困难，代价极高；另外有些返修后还带来某种更危险的后果。由于漏检和再生裂纹的存在，实际上许多承压设备带着质量控制标准所不允许的缺陷在正常运行。其中也发生了一些脆性断裂事故。这说明质量控制标准虽然偏安全，但也不能保证不发生断裂事故。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,5,合乎使用标准 一种更严密、更科学的验收标准，以类似材料、应力及介质等方面的历史经验为依据，充分考虑到存在缺陷的结构的使用条件，经过较细致全面的分析得到确定一个合适的裂纹容限。“合乎使用”标准有三个作用：根据缺

4、陷是否会影响使用性能来评定在建造和使用中所发现的具体缺陷的可接受性。指导制定专用标准和对不同类型部件制订缺陷的通用验收标准。在制造和使用前签订的特定合同中规定特殊部件的验收标准。该标准考虑到缺陷对部件性能的影响，故比通常的质量控制标准更切合实际。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,6,7.1.2 缺陷类型产品在制造和使用中会产生不符合规定的问题，如焊接时产生的（冷、热）裂缝、未焊透、未熔合、气孔、夹渣、咬边、过烧等；大锻件中的裂纹、偏析、夹杂物等；铸件中的裂纹、缩孔、疏松等；结构在不同环境中使用时产生的腐蚀裂纹、疲劳裂纹等。这些统称为缺陷。按照不同的标准可以分为多种不同的类型。焊接

5、缺陷 有两种类型：平面缺陷，包括：裂纹、未熔合或未焊透、根部咬边、根部凹陷等。 非平面（体积）缺陷，包括：凹坑、气孔、夹渣、疏松等。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,7,缺陷按在结构中的位置及大小分类如下图示，可以分为三类：表面缺陷、埋藏缺陷和穿透缺陷。缺陷按形状分类 根据缺陷的真实形状确定。一般简化为埋藏缺陷的圆型、椭圆型，表面缺陷的半圆型、半椭圆型等。,（a）表面缺陷 （b）埋藏缺陷 （c）穿透缺陷图7-1 按缺陷在结构中的位置分类,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,8,缺陷按密集程度分类 单个缺陷 共面缺陷 多个缺陷 非共面缺陷 共面缺陷 密集缺陷 非共面缺陷,

6、2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,9,多个缺陷相邻时，如缺陷密集且受力较大，则密集缺陷有开裂并汇聚成一个大的单个裂纹的倾向。共面密集缺陷（尤其是共线裂纹）比非共面密集缺陷（三维密集缺陷）危险大，即在一平面内更容易汇聚成一个大的裂纹。大量实验及计算表明，缺陷长度与它们之间的间距达到一临界比值时，缺陷间韧带显著变形（韧带屈服），此时缺陷张开，相邻缺陷才可能达成一个大的单个缺陷。临界比值随结构、缺陷位置及受力情况不同而变化。受力状况愈恶劣，裂纹相隔要求愈远，才能保证安全。从另一方面看，有多个裂纹且裂纹相隔很远，在受力时，第一个裂纹尖端附近的应力场与单个裂纹时的应力场相同，不受相邻第二个裂

7、纹的影响。当逐渐减小裂纹间距，则第一个裂纹尖端应力场由于相邻第二个裂纹的影响会加大，这一现象称为相邻裂纹的干涉。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,10,缺陷按裂纹的方向分类 按裂纹的方向分，裂纹可分为直裂纹、斜裂纹和曲裂纹。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,11,7.1.3 失效方式变形失效断裂失效疲劳失效 泄漏失效表面失效失稳失效,弹性变形 塑性变形蠕变变形,脆性断裂韧性断裂,机械载荷疲劳 热疲劳蠕变疲劳腐蚀疲劳,腐蚀（均匀腐蚀、局部腐蚀。 局部腐蚀中尤其严重的是应力腐蚀）冲蚀疲劳 磨损疲劳 腐蚀疲劳,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,12,7.1.4

8、缺陷评定所需要的参考资料和数据缺陷评定所需的参考资料承压设备制造竣工图及强度计算书；承压设备制造验收的有关资料，包括材料数据、焊接记录、返修记录、无损检测资料、热处理报告、检验记录和压力试验报告等；承压设备运行状况的有关资料，包括介质情况、工作温度、载荷状况、运行和故障记录及历次检验与维修报告等。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,13,安全评定所需的基础数据 为了能够评定各类缺陷对不同失效方式的影响，需要下列有关数据：缺陷的类型、几何尺寸和位置；结构和焊缝的几何形状和尺寸；材料的化学成分、力学和断裂韧度性能数据；应力（不论怎样产生的）和温度（包括瞬时温度）的大小和分布；疲劳、腐蚀

9、疲劳、蠕变疲劳的疲劳曲线（如S-N曲线）及裂纹扩展数据和曲线；蠕变断裂和变形数据（如蠕变曲线）；大面积腐蚀和应力腐蚀开裂数据（如 和应力腐蚀裂纹扩展数据）。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,14,7.1.5 缺陷评定的步骤 确定缺陷部位的应力和应变；确定缺陷部位有关材料的性能数据；通过无损检测取得缺陷几何形状、尺寸和位置数据；缺陷的理想化（规则化）；测量或估算材料断裂韧度；计算最大允许缺陷；判断所评定的缺陷是否可以接受。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,15,7.1.6 缺陷评定的关键性问题无损检测技术方法包括：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、声发

10、射检测等，各有千秋，但远达不到理想的自动化水平，因而检测结果往往与操作人员的主观判断有很大的关系，而且在设备的难检部位常常发生漏检现象。合乎使用标准的缺陷评定要求设备在任何焊后热处理或验证试验之后，进行彻底的无损检测，其方法必须能够确定重要区域内的缺陷位置和尺寸。这是安全评定的基本依据。但因无损检测方法固有的局限性，必然会带来一定的不确定性。因此必须给予一定的安全裕度，以确保评定的可靠性。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,16,断裂力学理论 是进行安全评定的理论基础。目前断裂理论的发展，已达到了在一定条件下解决某些安全评定问题的程度。世界上已出现的几种评定缺陷的规范和指导性文件，

11、都表明了断裂理论的研究成果。应力分析方法 是安全评定的基本步骤。尽管计算机技术的不断发展和有限元方法的应用，使得应力分析方法得到了深入的研究和不断的发展。但由于承压设备应力状态比较复杂，特别是对球形容器，其瓣片存在安装误差，精确测定球瓣片曲率和偏心距是非常困难的，应力分析也将十分复杂。由于这类应力分析引起的不确定性，就要求安全评定要有足够的安全裕度。 在检查的间隔周期内，由于疲劳或腐蚀会使裂纹产生或增长，也要考虑一定的安全裕度。另外还要考虑结构的用途以及在使用中会碰到的特殊服役条件。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,17,7.1.7 缺陷评定规范当前被广泛采用的缺陷评定规范及指导

12、性文件：欧盟SINTAP（2000）“欧洲工业结构完整性评定标准（Structure integrity assessment procedure for European Industry）”英国BS 7910（2000） “金属结构中容限缺陷评定方法导引（Guide on methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures）”美国API 579 （2000）“服役装置适应性评定（Fitness for service）”英国R6 Reversion 4 2001“含缺陷结构完整性评定（Assessm

13、ent of the integrity of structure containing defects）”我国GB/T 19624-2004“在用含缺陷压力容器安全评定”等等。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,18,7.2 承压设备缺陷评定方法 承压设备尤其是压力容器和压力管道在制造和运行过程中，不可避免地会产生一些缺陷，如夹渣、气孔、未焊透焊缝等。下面简要介绍一些断裂力学知识，以及其在缺陷评定中的应用。7.2.1 应力强度因子K判据法 如图7-2所示，在断裂力学中，按裂纹受力情况，将裂纹分为张开型（I型）、滑移型（II型）和撕开型（III型）三种类型。 由图看出，I型裂纹受垂

14、直于裂纹面的拉应力作用；II型裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力作用；III型裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘的剪应力作用。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,19,三种类型的裂纹表面对应着三种不同的相对位移：I型裂纹上下表面相对张开；II型裂纹上下两表面沿x轴相对滑开；III型裂纹上下表面沿z轴相对滑开。其中以张开型裂纹最常见，而且容易产生低应力脆断，以下所提到的裂纹都为I型裂纹。,（a）I型（张开型） （b）II型（滑移型） （c）III型（撕开型）图 7-2裂纹类型,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,20,I型裂纹尖端附近应力场 如图7-3，受双向拉应

15、力作用，含有长为2a穿透裂纹的无限大板，按弹性力学的平面问题求解，得出裂纹尖端的应力分布为：,图7-3 双向受拉的平板中的穿透裂纹,（7-1）,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,21,式（7-1）各式中， 是公共项，与r和无关，称为应力强度因子KI（下标I表示张开型裂纹），即： 更普遍的应力强度因子表达式为：式中：裂纹位置上按无裂纹计算的名义应力； a裂纹尺寸（裂纹长度或深度）； Y形状系数（与裂纹大小、位置以及载荷条件等有关）。 各种形状裂纹体的应力强度因子计算公式可以查应力强度因子手册。,（7-2）,（7-3）,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,22,由式（7-1）

16、，各种类型裂纹尖端附近的应力场有相似之处，可以将它们简写为如下形式：式中： （i，j=1，2，3）代表应力分量，上标I代表I型， 代表极角的函数。如上标写成或III，则代表或III型。应力场式（7-4）有以下特点：在裂纹尖端，即r=0处，应力趋于无限大，即应力出现奇异点；应力强度因子KI在裂纹尖端是有限量；在相同应力强度因子下，裂纹尖端附近区域的应力分布仅是r和的函数。,（7-4）,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,23,根据上述裂纹尖端附近应力场特点，已不能用应力为参量来建立像传统的强度条件了。应力强度因子是有限量，它代表的不是某一点的应力，而是整个应力场的强度，用它来作为参量建

17、立破坏条件是恰当的。脆断的K准则 由KI的表达式可见，随着载荷的增加，KI值也将增加，因此可以推断，当载荷增大到某一临界值时，构件发生破坏（裂纹扩展）。此时，裂纹的应力强度因子KI达到一个临界值KIC时，这样，对于带裂纹的构件来说，其裂纹扩展引起构件破坏的准则（简称断裂准则）就应该是： (7-5),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,24,KIC是材料的断裂韧度，表示材料抵抗裂纹失稳扩展能力的一个物理参量，由试验测定。根据断裂准则式（7-5），可以计算临界应力c 和临界裂纹长度ac ，从而进行断裂安全分析： 上述方程比较简单，是目前普遍公认的线弹性断裂力学的基础。严格说来，这种方法仅

18、适用于比较脆的或弹性的方式失效的材料。,(7-6，1)(7-6，2),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,25,然而，线弹性断裂力学形成了ASME第III卷附录G“防止非延性破坏”和ASME第XI卷附录A缺陷评定的基础。在WEE /37文件中，对于总应力低于屈服应力的场合，线弹性断裂力学也被作为基础。 高强度钢压力容器（或管道）和低温容器，以及中低强度钢厚截面压力容器，在断裂时呈现脆断，符合K准则。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,26,7.2.2 COD法裂纹尖端张开位移 是指当裂纹体受力后，在原裂纹尖端沿垂直裂纹方向所产生的位移（Crack Opening Disp

19、lacement），以COD或表示。实际上，当裂纹体受载，裂纹逐渐张开，虽然裂纹尖端出现钝头，但是裂纹尖端处的位移仍是连续的，如图7-6所示，所以裂纹尖端的实际张开位移并不存在。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,27,图7-6 裂纹张开位移定义,一般是将裂纹表面AB段向前延长，与尖端D的垂直线相交于E点，用2ED 度量裂纹张开位移。 但是，也有人提出应以弹塑性区交界的C点作为度量点，他们认为对于金属材料，塑性形变是导致破坏的重要因素，OD的垂线CF反映裂纹尖端塑性区的形变程度，主张用2 CF度量裂纹张开位移。裂纹张开位移的物理概念似乎很简单，但是确切的定义与如何标定是确实没有解决

20、的问题。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,28,根据熟知的M-D模型，可求得将COD为：COD准则弹塑性情况下的COD断裂判据的基本思想是将M-D模型得出的张开位移作为裂纹尖端的物理参数，并用来建立裂纹在弹塑性条件下的断裂准则。当裂纹张开位移达到临界值c时，裂纹将要开裂，即 = c (7-8) 是裂纹的临界状态；当稍大于c时，裂纹开裂；当小于c时，裂纹不开裂。,(7-7),其中,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,29,上式中的张开位移，可用直接观察法与蚀刻条纹法等实验方法测定，也可用有限元法与公式计算求出。c是材料弹塑性断裂韧度的指标，是材料常数，由实验测得。 实践证

21、明，COD准则应用到焊接结构和承压设备的断裂安全分析，非常有效，而且简单可行，加上 c 的测量方法也比较简单，因此，COD准则在工程上应用比较普遍。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,30,COD准则的理论基础薄弱，有以下缺点：计算裂纹张开位移的公式是根据M-D模型推出的，M-D模型将裂纹尖端塑性区简化为窄条形，与真实情况（鱼尾形状）不符合。裂纹张开位移的定义与实验标定不确切，有许多说法，而且差别较大。裂纹张开位移临界值C的规定有困难。如果以开裂点i的值定为C，尺寸影响较小，比较稳定，适合作为材料常数，但是用于设计，则偏于保守。如果以失稳点max的值定为C，尺寸影响较大，数值不稳定

22、，不适合作为材料常数，但是与断裂的实际情况较符合。M-D模型仅适用穿透裂纹，而工程中遇到的多数是表面裂纹。对于表面裂纹还没有相应的模型，只能用工程方法近似确定。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,31,COD准则的工程应用如果构件接头处有小裂纹，应力集中使接头的局部达到屈服，小裂纹被包在屈服区内，计算的式（7-7）不适用，因为式中的 ，公式无意义。在材料超过屈服后一般用名义应变代表材料的状态，全屈服区中小裂纹的COD与名义应变e的关系，Wells经过大量的宽板试验，归纳出以下经验公式：或,(7-9，1),(7-9，2),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,32,Burde

23、kin在Wells早期工作的基础上，根据大量宽板试验的结果，并考虑M-D模型推导出的公式，更保守的取式中， 称为无量纲裂纹张开位移。规定设计曲线 上式成为工程设计中广泛应用的COD计算式，设计曲线如图7-7所示。,(7-10),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,33,图7-7 COD安全设计曲线,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,34,利用式（7-9）计算的裂纹张开位移和实验的临界裂纹张开位移C，根据COD准则，已知名义应变e，可求出容许的最大裂纹尺寸amax。这样计算的裂纹尺寸，并不是临界裂纹尺寸ac，比它略小，从而偏于保守和安全，其安全裕度 约为1.5-2.5。,2

24、018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,35,7.2.3 J积分判据J积分定义 J积分理论的主要内容通常描述为:设一均质板，板上有一穿透裂纹，裂纹表面无力作用，但是外力使裂纹周围产生二维的应力、应变场。围绕裂纹尖端取回路，始于裂纹下表面，终于裂纹上表面，按逆时针方向转动，如图7-8所示。定义J积分如下：其中 W 是板的应变能密度；是作用在路程边界上的力；是路程边界上的位移矢量； ds是路程曲线的弧元素。,(7-11),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,36,图7-8 J积分定义,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,37,作用在路程边界上的力的分量为其中 是弧元素法线的

25、方向余弦； 是应力张量。应用符号dy=dx2 与dx=dx1 ，将上式代入式（7-11）后，J积分可写成另一种形式其中 是路程边界上的位移分量。另外，由图7-8知， 与 或写成 与 。再采用符号 ，即,（i，j=1、2） （7-12）,(7-13),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,38,其中 是路程边界上的位移分量。则J积分还能写成如下形式 可以证明J积分值与所选择的路程无关，我们称之为J积分的守恒性。此外，还可以证明，对线弹性材料或非线弹性材料，式（7-11）相当于：,(7-14),(7-15),(7-16),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,39,式中 构件单位厚

26、度的总势能。 因此，在弹性情况下，回路积分J与能量释放率有相同的物理意义。在弹塑性情况下，它的物理意义可以解释为两块除裂纹长度不同，其它条件完全相同的物体的能量差率。 J积分准则 J积分是弹塑性断裂力学的一个重要参数。寻求断裂力学参数的目的旨在建立合理的断裂准则，判断裂纹的扩展条件和裂纹结构的可靠性。J积分是一个合理的参数，主要因为：一、由J积分与所取回路无关的特性，给弹塑性分析带来很大方便，使我们可以避免去分析裂纹尖端附近塑性区的复杂性质。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,40,二、由HRR理论，在硬化材料中，裂纹尖端应力、应变场的奇异性是存在的，奇异场的强度可以用有限量J积分

27、来表征。J积分与线弹性断裂力学的应力强度因子类似，它只取决于外加载荷和裂纹的几何尺寸。三、由J积分与弹性势能的关系，明确指出J积分的物理意义，它代表作用于裂纹尖端的一个广义力，一般简称为裂纹扩展力或能量释放率。根据以上几点，在上世纪六十年代后期美国学者所做大量实验基础上，人们认为J积分作为衡量裂纹开裂的参量是适宜的，从而建立了J积分准则： J=JC （7-17）,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,41,裂纹扩展分为稳定的和不稳定的两种形式。对于稳定的缓慢扩展，上式代表裂纹的开裂条件；对于不稳定的快速扩展，上式代表裂纹的失稳条件，即结构的断裂开始条件。上式中的J积分是用有限元法计算的

28、或者用实验方法得出；而JC代表材料性能，必须由实验确定JC。如果在实验中，取试样的开裂点确定JC ，则式（7-17）是裂纹的开裂判据。如果取试样的失稳点确定JC ，则式（7-17）是裂纹的失稳判据。大量的实验结果证明，用裂纹开裂点确定JC ，其数据比较稳定，与材料尺寸无关；而用裂纹失稳点确定的JC，受材料尺寸影响很大，不宜作为材料常数。所以，一般都认为式（7-17）是裂纹的开裂判据。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,42,J积分准则和其它准则比较，其优点如下：与COD准则比较，理论根据严格，定义明确。用有限元法能够计算不同受力情况与各种形状结构的J积分（平面问题），而COD准则的

29、计算公式仅限于几种最简单的几何形状和受力情况。实验求JC，简易可行，与COD准则的实验相仿。7.2.4 双判据法由于在弹塑性状态下，构件失效有两种可能的形式：作为无裂纹体，因塑性损伤而失效；作为有裂纹体，因裂纹失稳扩展而断裂。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,43,评定构件安全或失效的图形称为失效评定图。,图7-9 失效评定图,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,44,在工程设计中，对上述的构件失效和断裂均应考虑。因而，对在弹塑性状态下构件的失效问题，现在通常采用一种综合的双判据方法。该方法分别基于线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学（均为有裂纹体理论）的“临界应力分析”和全

30、韧带屈服下（无裂纹体理论）的“极限强度分析”。二十世纪七十年代中后期英国学者提出了“双判据法”方法，并逐渐发展成为构件的失效评定图，也称为R6图，后来这概念推广应于裂纹扩展的情形。 双判据法是：假设当施加载荷达到按线弹性断裂力学理论计算会产生脆断的载荷时，或者施加载荷是由流变应力和结构几何决定的失稳载荷中较小者时，结构就要发生失效。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,45,这两个判据之间存在着相当大的过渡区，已经证明：这个过渡区可通过M-D条状屈服模型建立的方程来描述，所导出的表达式可预计简单几何或复杂几何有裂纹结构的性能。过渡曲线用Kr=f(Lr) 表示，利用失效评定图（Frac

31、ture Assessment Diagram，简称FAD）进行缺陷评定，它通过双判据法把线弹性断裂力学原理引申到屈服后断裂力学。 图7-9为一个失效评定图的示意图，在图中由坐标轴和失效评定曲线围成安全区.根据具体情况计算设备的坐标值（Kr，Lr）。若（Kr，Lr）点位于安全区，则认为设备是安全的；如果（Kr，Lr） 点落在评定曲线上或者外侧，就不能保证设备的安全。点（Kr，Lr）靠近Kr轴则发生脆断，点（Kr，Lr）靠近Lr轴则发生塑性失稳。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,46,Kr和Lr的定义如下：其中KI裂纹尖端附近的应力强度因子；KIC材料的断裂韧度；P结构承受的一次载

32、荷；P0材料的塑性屈服极限载荷。,(7-18),(7-19),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,47,基于这一背景，英国中央电力局（Central Electricity Generating Board，简称CEGB）首先提出了双判据法的R6缺陷评定程序，发展到现在，已经到了第4版。R6方法是目前国际上应用最广泛的方法，英国的“金属结构中容限缺陷评定方法导引”（BS 7910）、美国的“服役装置适应性评定”（API 579）、瑞典的“带裂纹构件安全评定规程手册SA/FoU-Report”以及法国的“核电厂部件在役检验规则”（RSE-M）都是基于此方法发展起来的，就连欧洲统一的合乎

33、实用标准“欧洲工业结构完整性评定方法”（SINTAP）也是基于R6方法并作了修改。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,48,7.2.5 “未破先漏”设计方法,为防止脆断事故的发生，在压力容器和压力管道方面常采用断裂前渗漏的设计方法，即“未破先漏”（Leak Before Break）设计准则，使裂纹在失稳破坏以前，发生足够的流体泄漏以保证能被及时监测到，并且从发现泄漏到裂纹失稳之间有充足的时间以保证安全处理措施的实现，从而避免突然发生的脆断事故。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,49,7.2.5 “未破先漏”设计方法,图7-10 未爆先漏示意图,2018/5/9,承压

34、设备缺陷评定与风险评价,50,7.2.6 疲劳破坏评定构件在交变应力作用下产生的破坏，称为疲劳破坏。疲劳破坏过程 疲劳破坏过程按其发展过程大致可以分为以下四个阶段。 裂纹成核阶段 微观裂纹扩展阶段 宏观裂纹扩展阶段 断裂阶段,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,51,以上是无初始裂纹的光滑试样的典型疲劳破坏过程，对于有初始裂纹的裂纹体，主要是宏观裂纹扩展阶段。以前的阶段为疲劳裂纹形成阶段，其对应的应力循环周数称为裂纹形成寿命，以Ni表示；而宏观裂纹扩展阶段所对应的循环周数为裂纹扩展寿命，以NP表示。疲劳分类 根据破坏时的循环数的高低:(1) 高周疲劳(应力循环周数Nf较高) (2)

35、低周疲劳(应力循环周数Nf较底),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,52,疲劳破坏判据 疲劳评定的原则很简单，即一个受压部件中的任何缺陷，在设计寿命到期之前，不允许由于疲劳的缘故而使缺陷扩展到导致部件发生失效的尺寸。 疲劳裂纹扩展的定量表示用 或 （极限条件下），称为疲劳裂纹扩展速率，表示交变应力每循环一次裂纹长度的平均增量，它是裂纹长度a，应力幅度或应变幅度的函数。初始裂纹长度a0可以由无损检测测得，而临界裂纹长度ac可由式（7-7）求出：,（7-7）,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,53,如果已知瞬时裂纹扩展速率 ，则可求得裂纹扩展至断裂的循环次数为： 大量的实验

36、证明， 与应力强度因子幅度 存在一定的函数关系。 其中 一般情况下， 关系曲线在双对数坐标系下可以分成三个区域，如图7-11所示。,(7-20),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,54,图7-11 关系曲线示意图,在第I区，存在 的某一个下限制 ，邻近时， 的微小降低， 急剧下降，在图7-11中表示为平行于坐标轴的直线。 称为门槛值。是材料的一个重要性能参数。对于一些要求有无限寿命、绝对安全可靠的零件，就要求它们的 工作值低于 。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,55,第区，是一直线带，裂纹稳定扩展，Paris由实验提出了现在已普遍确认的疲劳裂纹扩展规律，即Paris

37、定律，以下式表示： 式中，C，m是材料常数，对于同一材料，m不随构件的形状和载荷性质而改变。常数C与材料的力学性质（例如 及硬化指数等）、实验条件有关。 在第区域，即当 时，裂纹扩展速率急剧增快直至断裂。,(7-22),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,56,关于平均应力对疲劳裂纹扩展速率的影响，可用应力比 作为主要参数，平均应力对裂纹扩展速率的影响，大多数是在仅施加拉应力，即 的情况下测得的。增大应力比R意味着增大最小应力的作用，将使裂纹扩展速率增大。在区中，这种裂纹扩展速率的增量可能很小，但在断裂韧度 或 起作用的III区，不同的应力比R使裂纹扩展速率有很大的差别。 考虑到II

38、I区的特点和平均应力的影响，可以得到Forman公式：,(7-22),2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,57,式中：C和m都是材料常数。式（7-22）表明，材料的断裂韧度和应力比对疲劳裂纹扩展速率有影响。 通过实验发现，除了 是控制裂纹扩展的重要物理量外，其它如平均应力、应力条件、加载频率等，对 均有影响。 大量实验表明，过载峰对随后的低载恒幅下的裂纹扩展速度有明显的延缓作用，称之为“超载迟滞效应”。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,58,7.2.7我国缺陷评定标准介绍,采用该标准进行压力容器安全评定除应遵循该标准的规定外，还应遵守国家有关部门颁布的相关法律、法规和规

39、章。进行压力容器安全评定的单位和人员的资格，应符合国家有关法律、法规和规章的规定。在压力容器安全评定中，进行无损检测的人员应持有与实际使用的无损检测方法相一致的III级资格证书，且具有较丰富的缺陷判别及包括自身高度在内的缺陷尺寸测定的经验。进行安全评定的单位，应根据所评定对象的缺陷性质、缺陷成因、使用工况以及对缺陷扩展的预测等，对所评定的对象给出明确的评定结论和继续使用的条件，并对所评定对象的缺陷检验结果和评定结论的正确性负责。安全评定的实施程序应符合该标准和相关法规、规章的有关规定。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,59,安全评定的一般原则：安全评定应包括对评定对象的历史、工况

40、、环境等状况调查、缺陷检测、缺陷成因分析、失效模式判断、材料检验（性能、损伤与退化等）、应力分析、必要的实验与计算，并根据本标准的规定对评定对象的安全性进行综合分析和评价。失效模式判别：该标准所考虑的失效模式的类型包括断裂失效、塑性失效、疲劳失效。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、对被评定的压力容器或结构的具体的制造和检验资料、使用工况以及对缺陷的理化检验和物理诊断结果，且对可能存在的腐蚀、应力腐蚀、高温蠕变环境等对失效模式和安全评定的影响也应予以充分的考虑。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,60,安全评定方法的选择：应以避免在规定工况（包括水压

41、试验）下安全评定期内发生各种模式的失效而导致事故的可能为原则。一种评定方法只能评价相应的失效模式，只有对各种可能的失效模式进行判断或评价后，才能作出该容器、结构或缺陷是否安全的结论。压力容器安全评定所需的参考资料有：制造竣工图及强度计算书；制造验收的有关资料，包括材料数据、焊接记录、返修记录、无损检测资料、热处理报告、检验记录和压力试验报告等；运行状况的有关资料，包括介质情况、工作温度、载荷状况、运行和故障记录及历次检验与维修报告等。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,61,安全评定所需的基础数据有：缺陷的类型、尺寸和位置；结构和焊缝的几何形状和尺寸；材料的化学成分、力学和断裂韧度

42、性能数据；由载荷引起的应力；残余应力。安全评定中的基础工作：缺陷检测应根据安全评定的要求，针对被评定对象的材料、结构和可能存在的各种缺陷，选择合理有效的检测方法和设备进行全面的检测并确保缺陷检测结果准确、真实、可靠。对于无法进行无损检测的部位存在缺陷的可能性应有足够的考虑，安全评定人员和无损检测人员应根据经验和具体情况作出保守的估计。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,62,应力分析考虑各种可能的载荷，并根据具体失效 模式的安全评定需要和评定方法，采用成熟、可靠的方法计算评定中所需的应力。材料性能的测试和性能数据的获得应按有关标准和其附录B的规定，充分考虑材料性能数据的分散性并按偏

43、于保守的原则确定所需的材料性能数值。评定结论与报告：缺陷评定完成后，评定单位应依据国家相关法规、规章和本标准的规定，及时出具完整的评定报告并给出明确的评定结论和继续使用的条件。评定报告一般应包括：被评定对象的设计、制造、安装、使用等基本情况和数据；缺陷检验数据；材料性能数据测试或选用；应力状况、应力测试和应力分析；综合安全评价与评定结论。评定报告应准确无误，由评定人员签字、评定单位技术负责人审查和法人代表批准并加盖评定单位的有效印章。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,63,7.3 承压设备风险评估技术7.3.1 风险评估技术概述 安全是人类赖以生存和发展的最重要的基本前提。生产过

44、程中的危险成为威胁人类安全和健康的主要因素之一。据报道，仅因工伤及职业病所造成的损失就相当于全球GDP的4%左右。安全问题是人类亟待解决的一个重要问题。 20世纪60年代在美国首先出现了风险评估技术。它以保障安全为目的，按照科学的程序和方法，从系统的角度出发对项目或工业生产中潜在危险进行预先识别、分析和评价，为制定基本防灾措施和管理决策提供依据。西方发达国家在20世纪70年代将风险评估的基本原理引入到了承压设备管理，至今已经形成了针对承压设备的评价方法和相应的风险评估软件。,2018/5/9,承压设备缺陷评定与风险评价,64,例如：美国对压力容器和工业管道普遍接受了RBI，对埋地管道推行和普遍采用了基于风险评估的管理，并且对于输油、输气埋地管道的风险评估是强制性的；有些国家要求压力容器和压力管道开工前提交风险评估报告。在日本，为了顺应人们的心理，把风险评估称作“安全评价”，或许是受日本的影响，在我国也多称为“安全评价”。风险评估的内容 危险（Hazard）的定义是可能产生潜在损失的征兆，指影响人的身体健康、导致疾病、造成伤亡或对物造成突发性以及慢性损害的因素。它是风险的前提，没有危险就无所谓风险。,