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南通银河测控技术开发有限公司

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世界各国缺陷评定规范的发展(1)

更新: 2014-3-7
 世界各国缺陷评定规范的发展
华东理工大学   李培宁

概 论
本文介绍最近四年来国际上结构完整性评定技术的发展,主要集中在近年来世界各国有关规范的发展与变化,作为1992年及1997年在第三届和第四届全国压力容器学术会议专题报告"压力容器缺陷评定规程的发展趋势"[1]及"压力容器及管道断裂评定技术研究进展"[2]的续篇。
    近年来国际上广泛地将缺陷评定及安全评定称之为完整性评定或"合乎使用"评定,它不仅包括超标缺陷的安全评估,还包括环境(介质与温度)的影响和材料退化的安全评估,鉴于我国已经习惯称之为缺陷评定,且中文"缺陷"二字既可理解为"defect",也可理解为"drawback",本文在标题中仍然保留了缺陷评定的术语,但不一定限制为一个有具体几何尺寸的缺陷评定。按"合乎使用"原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定规程(或方法)越来越走向成熟,已在国际上形成了一个分支学科,在广度和纵深两方面均取得了重大发展。在广度方面新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、材料退化评定、概率评定和风险评估等内容;在纵深方面:弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分析、无损检测技术等均取得很大的进展。
    在评定规范和方法方面:英国的R6规范第3版(1986)[3]和PD 6493:1991[4]对我国压力容器安全评定规范SAPV-95的建立起过很重要的作用。瑞典缺陷评定规范(手册)[5]的译文也在我国广为流传。德国CKSS研究中心1991年发表了EFAM ETM的工程缺陷评定方法[6]。法国在其"核电厂部件在役检验规则"(RSE-M Code)[7]的第五章中给出了"缺陷评定方法"。这些国家的标准都有一个长期工作组织,不断予以更新。例如1996年瑞典又给出了"带裂纹构件安全评定规程-手册SA/FoU-Report的修订版"[8]
    值得指出的是近年来欧美安全评定规范的发展有两件标志性的大事。第一件是1996年欧洲委员会(European Commission)为了建立一个统一的欧洲实施合于使用评定标准,发动组织了一个研究计划,有9个国家的17个组织参加,于1999年完成了"欧洲工业结构完整性评定方法",简称SINTAP[9],已于2000年发表并已形成了一个未来欧洲统一标准的草稿。由于英国R6、PD 6493、德国的CKSS及瑞典技术中心都是SINTAP研究的核心成员,SINTAP也是他们共同参与研究后形成的共识,鉴于SINTAP不久将要成为欧洲的统一标准,R6及BS PD 6493在它即将颁布新版前夕,对它们各自的修改稿又作了一次紧急修改。R6于2001年颁布了他的全新版(第4版)[10];PD 6493于2000年颁布了他的修订版,但代号已改为BS 7910:1999[11],取消了PD代号而正式列入正规的英国标准。第二件大事是美国石油学会于2000年颁布了针对在役石油化工设备的合乎使用评定标准API 579[12],在内容上具有鲜明特色,反映了结构完整性评定技术研究范围有了很大的拓宽。鉴于世界各国缺陷评定规范的迅速发展,International Journal of Pressure Vessel and Piping 期刊于2000年发表了一个专刊,题名为"缺陷评定方法"[13],介绍了国际上十个缺陷评定规范的进展,其中也包括了我国八五攻关编制的SAPV-95[14]。本文主要介绍和论述: 1、欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP);2、英国含缺陷结构完整性评定标准(R6);3、英国标准BSI PD6493的修改版――BS 7910金属结构中缺陷验收评定方法导则;4、美国石油学会标准API 579推荐用于合乎使用的实施办法的概貌和最新进展。
1、 欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)[9]
    European Comsertium 于三年前开始组织欧洲9个国家17个组织研究,于1999年4月完成了SINTAP的编写,这将是欧洲统一的合乎使用标准的初稿,应该引起国人的注意。
    1.1 SINTAP第1章中缺陷评定的两类分析方法和7个分析级别
    SINTAP分为4章,第1章介绍了总的方法和规程。
    SINTAP采用了失效评定图(FAD)和裂纹推动力(CDF)的两类分析方法。FAD的关键是失效评定曲线,f(Lr),只要评定点(Lr,Kr)落在FAD图内的安全区,则缺陷就是安全的。CDF是直接按J<JIC的判据来进行评定的,但是裂纹推动力J的计算方法规定应按失效评定曲线的表达式f(Lr)求得 ,因此尽管CDF法和FAD法形式上有所不同,但实质是一样的。所以这里只介绍SINTAP的7个级别及其失效评定曲线。
1.1.1 第0级(default level)
    在仅可得到材料 值和AKV值时使用。

    (1)无屈服平台的连续屈服材料的失效评定曲线为:
                 (1)
    材料的断裂韧度是按AKV值估算的,计算中所需的抗拉强度 是由屈服强度 保守估算的,即:
             (2)
    
(2)有屈服平台材料时或者不能排除材料不具有屈服平台时,用式(3)表示的失效评定曲线:
             (3)     且Lrmax取1。
1.1.2 第1级(Basic level)
    用于可获得材料 , 的值,及断裂韧度值Kmat的情况。如有焊缝存在,其强度不匹配程度应小于10%。
    (1)有屈服平台材料的失效评定曲线,分为三段表述。
    在Lr=1处: 有一陡降直线段。从上式在Lr=1时的值直线下降至: (4)
    式中 (5) 为屈服平台长度,可按式(6)作保守的估算: (6)
    在Lr>1处: 取德国ETM[6]的成果
             (7)
    式中,N为应变硬化指数,可按下式估算:
            
    这是根据19种材料数据整理得到的下边界值,实际的N值可能为上式计算值的1至5倍,所以Lr>1处的f(Lr)是非常保守的。规定Lrmax取值为  
    (2)无屈服平台材料的失效评定曲线,也分三段表述
    在Lr<1处: (9)
    式中系数μ可由 值估算:
          (10)
    在Lr≥1处:
    在Lr=1处有一垂直下降线直至Lr(1)。在Lr>1时为曲线,仍采用式(7)计算f(Lr),但Lr=1时的Lr(1)值用式Lr=1时的Lr(1)值用式(9)计算,并用式(8)估算N 。
1.1.3第2级(mismatch level)
    和第1级相似,使用条件是要能获得材料力学性能和断裂韧度。用于焊缝强度不匹配程度超过10%的场合,这时它必需要知道母材和焊缝两者的拉伸力学性能。因而分三种情况,分述如下:
    (1)母材及焊缝两种材料均无屈服平台时(第一种情况)
    仍可应用第1级中的无屈服平台时的失效评定曲线三段表达式,但式(9)及式(8)中的μ值和N值应改用不匹配时的值μM和NM,不匹配焊缝接头的取μM,决于母材及焊缝的μ值和 ,不匹配焊缝接头的塑性屈服载荷FyM。以及假设这一元件没有焊缝完全是母材时的塑性屈服载荷FyB。定义焊缝屈服强度 与母材屈服强度 之比值M为强度不匹配因子,则:
             (11)
    式中:
             (12)          (13)
    不匹配焊接接头的NM可由式(14)求得:
             (14)
    式中:
             (15)
             (16)
             (17)
    (2)焊缝及母材均具有屈服平台时(第二种情况)
    仍可应用第1级中有屈服平台时的失效评定曲线,也分三段,即式(3)、(4)、(7),但式(4)中的λ应用λM 代替,式(7)中的N用NM代替。
             (18)
    式中:
             (19)          (20)
    截止线Lrmax值仍按式(17)计算。
    (3) 焊缝或母材之一具有屈服平台时(第三种情况)
    在Lr<1处: 可以采用第一种情况时的失效评定曲线,但μM计算中具有长屈服平台的那个材料的μ值可以不计,例如母材具有屈服平台,则式(11)改为:
             (21)
在Lr=1处: 按第二种情况具有屈服平台材料时的办法保守地取得较低的f(1)值,将无屈服平台的那个材料的λ取为0,例如母材具有屈服平台,f(1)计算时所用的计算式λM(式18)改为:
             (22)
    式中,λB按式(20)计算。
    在Lr>1处: 按第二种情况一样的办法对待。
1.1.4 第3级(stress-strain level)
    这一方法要求可获得材料的关系曲线 以求得f(Lr),当然也需要知道材料的断裂韧度值才能进行评定。第3级不仅能计算焊缝基本匹配的情况,也可以用于不匹配焊缝的评定。
    在不涉及焊缝时或焊缝基本匹配时采用R6第3版的选择2曲线,即:
             (23)
    式中, 为在材料单向拉伸 关系曲线上与 相对应的应变值。
    在强度不匹配焊缝时也用式(23),但 值的计算均应采用母材与焊缝组成的含缺陷元件的当量 关系曲线,它是根据塑性极限载荷相等的原则求得的,当然和母材 关系、焊缝的 关系、不匹配因子M及FyM及FyB有关。 的塑性部分(塑性应变 的关系 为:
             (24)
    式中 是指在设定的任一塑性应变量εP时,当量 关系曲线上、焊缝 关系曲线上及母材 关系曲线上的应力值,所以 就是当量的 关系。因从而可得到当量材料的关系。应该指出的是这里的不匹配因子M值并不是1.1.3节中的M值,而是在不同塑性应变量εP时的不匹配因子M(εP),不是材料常数,与εP的大小有关。只有当两种材料 关系形状完全相似时,M(εP)才有可能是常数。
             (25)
    并且式(24)中的FyM/FyB值也应该是在这些M(εP)下的值。这时当量屈服应力 当量流变应力 及Lrmax分别定义为:
             (26)
             (27)
             (28)
    这里 为两种材料流变应力相应的两个塑性应变中较低者的值。 相应的流变应力计算的FyM及 值。
1.1.5 第4级(constraint level)
    本级别的评定是根据裂尖拘束度的具体情况估算材料实际断裂韧度来进行评定。按断裂韧度标准测试方法测试试件必需要有足够尺寸以保证获得最低的平面应变断裂韧度值,而实际工程元件缺陷往往是很浅的,只有较低的拘束度,显然如能按实际拘束度的断裂韧度来进行评定可以降低评定的过保守度,但是要求有附加的测试数据。
    这是在著名的J-Q理论基础上发展起来的一种方法。引入了无因次拘束参量β以描述裂尖静水应力Q。或用平行裂纹的弹性应力T作为来描述β参量。评定时FAD及Kr的计算均要作相应的修正,由于篇幅有限,这里就不作进一步地介绍了。
1.1.6 第5级(J-integral analysis)
    要求已知材料应力应变关系曲线以计算J积分,可以是没有焊缝的结构,也可以是不匹配焊缝(这时要求焊缝及母材的应力应变关系都已知),实际上就是严格有限元计算解。实际上第5级只被用来作为验证各低级方法的工具,并不是适用于工程评定的方法。严格的有限元计算J积分已为大家熟知,SINTAP也没有作详细介绍。
1.1.7 第6级(LBB)
    部分穿透的表面裂纹可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂纹引起泄漏,但仍然可能处于稳定状态,这就是LBB状态。SINTAP提供了一个新的估算裂纹扩展过程中缺陷形状变化的估算方法。由于穿透前或穿透后裂纹会不会撕裂失稳的评定过程和R6第3版相同,不过是根据具体情况选用前面几级中的某一失效评定曲线进行评定,因此这里也不再作详细介绍了。
1.2 SINTAP规程新发展的一些细节
    SINTAP第2章提供了评定所需输入数据及计算方法。第3章提供了各级分析方法选择的导则和应力强度因子解、塑性极限载荷解及残余应力分布等。第4章给出了一些其它评定方法和标准方法的补充说明。值得一提的是:
    (1) 在缺乏材料详细的应力应变关系数据时,SINTAP通过大量钢材性能研究提供了材料应变硬化性能、屈强比及屈服平台(Luders 应变)的估算方法。这些方法可用以改进式(9)的f(Lr)以降低评定过保守度。
    (2)在大量断裂韧度测试的统计处理后,近一步发展了ASTME 1921-97的所谓Master曲线,SINTAP提出了由AKV估算铁素体钢解理断裂区断裂韧度下限值的方法。这一方法也已被R6第4版及BS7910所采用。华东理工大学博士生秦江阳在20号钢韧脆转变温度曲线的大量数据研究表明AKV和启裂断裂韧度Ji之间不存在明确的简单的数学关系;刘长军在其博士论文中用该收集到的实测材料数据考核美国短裂纹研究计划中由管材AKV求JIC下限值得推荐方法,也证明了AKV-JIC的关系图上数据十分分散。但鉴于实际工程评定中一般都不可能取样测得材料的断裂韧度,下限值的估算还是很有实际意义的,但应该认识到估算的断裂韧度值可能十分保守,有时甚至只有实际值的五分之一左右。SINTAP的方法值得我们进一步工作的关注。
(3)SINTAP提供了一个无损检测技术可靠性导则。提出了在失效模式为塑性极限载荷控制(而不是断裂控制)时的缺陷群相互干涉效应的导则。
    (3)SINTAP提供了一个无损检测技术可靠性导则。提出了在失效模式为塑性极限载荷控制(而不是断裂控制)时的缺陷群相互干涉效应的导则。
    (4)二次应力的处理中不仅采用了R6的新ρ因子法,同时还给出了另一方法,二次应力的影响用V因子表示,即:
             (29)
    V因子可能是大于1,也可能小于1(进一步细节可参考J.Strain Anal.2000;35;307-16)。
    (6)增补了大量应力强度因子解,例如在一次和二次应力时简体表面裂纹的应力强度因子解。提供了大量不匹配焊缝结构的极限载荷解。
    (7)SINTAP给出了可靠性评定方法及其相应软件PROSINTAP,采用Monte Carlo数学模拟及近似的一阶可靠性过程(approximate first order reliability routines)。

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