压力容器及管道剩余寿命的评估方法

32 压力容器及管道剩余寿命的评估方法 压力容器及管道剩余寿命的评估方法 莫 剑 (扬子石化公司) 摘 要 介绍了几种压力容器及管道的剩余寿命评估方法，包括低周疲劳裂纹扩展 的寿命评估、舍缺陷压力管道的寿命评估、高温管道的寿命评估及管道腐蚀剩余寿 命的评估。低周疲劳裂纹扩展的寿命评估主要是根据Mason—Coffin(曼森一柯芬) 方程，寻找应变与寿命之间的关系；含缺陷压力管道主要是用Paris公式，找出缺陷 尺寸与寿命的关系；高温管道主要是确定管道的使用温度与寿命之间的关系；而腐 蚀管道研究的是腐蚀速率的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。另外，还对每一种评估方法和计算过程进行了分 析和说明。合理选择预测方法可以很方便地预测出管道的剩余寿命。 关键词 压力容器 管道 剩余寿命评估 安全评定 1 前言 压力容器及管道的寿命问题一直是工程技 术人员关注的热点。本文介绍了几种寿命预测 方法，包括低周疲劳裂纹扩展寿命评估、高温 管道剩余寿命评估、含缺陷压力管道剩余寿命 评估及腐蚀管道剩余寿命评估。此外对评估方 法和计算过程进行了分析和说明。 2 裂纹扩展萌生寿命的研究 2．1 低周疲劳裂纹扩展口 工程上确定疲劳萌生寿命的方法，主要是 规定当裂纹尺寸达到某一给定长度时的疲劳周 次为疲劳裂纹的萌生寿命。但由于裂纹萌生过 程中存在很大的随机性，即使同一材料在其相 邻区域上截取不同的试样，同一裂纹长度指标 对应的循环周期可能处于裂纹扩展的不同阶 段。所以需要利用恰当的物理模型与统计方法 *莫 剑．男．1968年6月生．经济师。南京市．210048。 确定一种可靠的裂纹尺寸与寿命的关系。为了 预测裂纹的萌生寿命，人们提出了不同的分析 模型。Mason--Coffin(曼森一柯芬)方程是从宏 观力学出发得到的一种常见的应力一应变法， 它定义了裂纹萌生寿命与应变之间的关系，如 式(1)所示： A 一￡f(2Nf) (1) 二 式中 Ⅳr——裂纹萌生寿命 △￡ ——塑性应变幅 ￡I——拉伸断裂真实应变 1 c——指数系数，一般c一÷er～￡f，柯芬 厶 建议取C=目 该方法应用广泛，但在分析模型中未考虑 材料的分散性，由于疲劳寿命等断裂指标比应 力静强度指标的分散性要大，所以对裂纹扩展 后的安全评定不能很好地满足要求。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《化工装备技术》第25卷 第5期 2004年 33 此外，Bimalendo以变形Paris公式为基 础，定义裂纹扩展到 lmm时的寿命为其萌生 寿命，然后通过回归分析得出裂纹萌生寿命M 同应力强度因子幅AK 啦 的关系， 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式如下： Nf一1．75×10 (AK ) (2) 由该式可看出，当应力强度因子幅AK 确 定后，就可用裂纹萌生寿命(疲劳周次)N 来表 示剩余寿命。但该方程中假定存在一个门槛值 AKlh，当AK <△K h时，裂纹不会扩展。大量 的研究表明，某些短裂纹在低于门槛值时仍会 发生扩展，所以该方法对系统中出现宏观裂纹 后持续扩展的规律描述是成功的，而在宏观裂 纹出现前的规律描述不尽如人意。 2．2 含缺陷压力管道寿命预测[3 ASME 1wB一3650是目前使用最广泛的 压力管道缺陷评定 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 之一，在它的基础上发 展起来的Paris公式的表达式为： 九 一 C。(△KI) (3) 一八， 、 I 、。 式中 Ⅳ——疲劳次数 a——缺陷尺寸 AK ——应力强度因子幅 C。_2：——与平均负荷、应力变化、加载频 率、材料性能有关的常数；一般 取 Co一 ，z——与材料有关的系数，对于高强度 钢，，z一2～7，多数材料，z一2～4 由式(3)积分得： o M 一 (ac1 n／2__ao1-,／2) (4) 式中，a 表示极限裂纹尺寸，a。表示缺陷尺寸。 由式(4)可知，当确定了缺陷的极限裂纹尺寸及 缺 陷尺寸后，只要计算出应力强度因子幅 AK ，即可得出该管道的剩余寿命M。 2．2．1 应力强度因子 的计算 对线弹性断裂力学而言，最简单的情况是 无限大平板上含穿透裂纹，其裂尖强度因子用 应力强度因子描述，即 Kl一 ~／丌口 (5) 对于一般的构件，可采用适当的系数y对 其形状、尺寸等因素进行修正，故 K =Ya (6) 2．2．2 极限裂纹尺寸的确定 进行疲劳寿命评估时，还需确定极限裂纹 尺寸，以得出最终的疲劳寿命。这个临界尺寸 不一定是管线中的某一裂纹达到疲劳穿透，而 应考虑压力管线各裂纹扩展到一定深度后，对 整体压力管线的可靠性进行评定，如评定结果 为不可靠，则此时所对应的平均裂纹尺寸即为 疲劳失效时所对应的极限裂纹尺寸。 含缺陷压力管道的疲劳寿命分析必须考虑 每一可能超标缺陷对剩余寿命的影响，缺陷的 长度及深度的变化对管道承载能力影响很大。 但由于压力管线中的大多数超标缺陷都是浅长 型缺陷，浅长型裂纹的扩展主要是以深度方向 为主，裂纹长度方向的变化极小，所以主要考 虑缺陷深度的扩展。 2．3 高温管道剩余寿命预测 高温管道剩余寿命预测是整个安全性评估 工作中最重要部分，对这类管道一般采用试验 的方法来评估其可靠性，通常采用持久强度试 验的方法。持久强度试验的目的是确定断裂时 间与应力值之间的关系(厂( )～f)及应力与试 验温度的关系(尸( )～丁)。此外，作为持久强度 的外推法，除等温线法外还可采用时间一温度 参数法。在确定出这两种关系后，为确保安全， 可取一定的安全系数与实际应力相乘作为计算 应力，然后分别代人上述试验确定的厂( )～f 方程与尸( )～丁方程中，得出剩余寿命f与高 温管道的温度之间的关系f(t)～丁，通过计算 从中选择最可靠的剩余寿命值作为该高温管道 的剩余寿命值。 采用此方法时应注意，由于考虑了一定的 安全系数，所以并非在到达剩余寿命年限后，该 管道就再无法使用，而是建议到时再重新按照 维普资讯 http://www.cqvip.com 34 压力容器及管道剩余寿命的评估方法 上述方法进行安全评定，进一步确定其安全状 式中 一一 壳体参数 况。 M ——傅立叶因子 2．4 管线腐蚀剩余寿命预测 被腐蚀管线的寿命会降低，其寿命一般通 过确定腐蚀速率的方法得出。与管道剩余强度 评价相比，管道剩余寿命预测难度较大。实际 过程中，管道所处的腐蚀环境复杂，影响因素 也较多，腐蚀的规律很难确定。确定腐蚀动力 学规律的方法主要有两种：一是采用实验室加 速试验方法；二是采用现场挂片试验方法。 2．4．1 腐蚀速率概率分布模型的建立 统计历年来缺陷检测数据和相应的检测时 间，腐蚀速率的方程如下： V 一 (7) 式中 ——腐蚀速率，mm／a 口，——腐蚀深度，mm 丁 ——检测时间．a 丁。——管线修造时间，a 将得出的一系列腐蚀速率数据进行统计分析， 可建立腐蚀速率的概率分布模型。通过该模型 就可看出该管道的腐蚀速率分布规律。 2．4．2 腐蚀缺陷尺寸的确定 一 般情况下，取检测到的腐蚀缺陷长度和 深度的最大值作为腐蚀缺陷长度5。和深度a。。 2．4．3 临界腐蚀深度的计算 由于腐蚀缺陷长度对管道服役寿命影响较 小，所以可以假设腐蚀缺陷长度不变，然后计 算临界腐蚀深度“ ，过程如下： — — (_—一一0 ． 9 (8) 1一赢(1--R, M。一 (1+0．482 )。 (9) 2-- (10) ~／Df⋯ R 一 t — -- — a~ (11) Z 一 (12) ‘』’u v L train——最小要求壁厚，mm 足——剩余厚度比 — — 管道承受内压，MPa — — 管道外径，mm — — 管道公称壁厚，mm E——弹性模量，一般取2．1×10 MPa — — 管材屈服强度，MPa F——设计系数，与管线所处的地区类 别有关 5。——缺陷长度，mm “ ——腐蚀缺陷的临界深度，mm 当腐蚀临界深度确定后，根据腐蚀速率的 分布规律，可认为当腐蚀深度达到临界深度时， 管道失效。 3 结论 含缺陷裂纹的压力管道寿命预测已取得了 理想的成果。上述的几种寿命预测方法在应用 时应根据实际情况选择合适的评估方法。 (1)低周疲劳裂纹扩展阶段剩余寿命评估 主要需确定裂纹的扩展规律，裂纹从线性扩展 规律转变为非线性规律的转折点寿命即为裂纹 的萌生寿命，相应的裂纹尺寸即为裂纹萌生尺 寸。 (2)含缺陷压力管道寿命预测过程中最重 要的是确定极限裂纹尺寸和计算应力强度因子 幅△K 。 (3)高温管道剩余寿命预测过程最重要的 是确定其高温持久性能。 (4)腐蚀剩余寿命预测还处在探索和发展 过程中，本文介绍的确定腐蚀规律的两种方法 也都有一定的不足，前者得到的腐蚀动力学规 律和现场情况难以很好地对应．直接应用试验 结果所得的预测结果比较保守，经济性比较差； 而后者虽然和实际情况对应性较好，但试验周 期却较长。 维普资讯 http://www.cqvip.com 《化工装备技术》第25卷 第 5期 2004年 35 安全阀与爆破片串联组合装置性能研究 顾雪铭 陈 磊 杨秀霞 (华东理工大学上海华理安全装备有限公司) 摘 要 在单独测试爆破片和安全阀性能的基础上，通过对安全阀与爆破片串联组 合装置性能的测试，得出：当爆破片设在隔离箱底部内侧时，组合装置的排放能力 与安全阀的排放能力相比下降约2．9％；当爆破片设在隔离箱侧面外侧时，组合装置 的排放能力与安全阀的排放能力相比下降约5％。 关键词 安全阀 爆破片 串联组合装置 压力容器 1 前言 2 试验要求 作为液化气体运输车超压泄放装置的安全 阀，由于安装于罐车的顶部，在罐车驶过山洞、 桥洞、涵洞时，安全阀容易因撞击而损坏，导 致液化气体大量泄漏，从而引发重大安全事故。 为了尽可能地避免上述情况的发生，容标委移 动分会提出了液化气体运输车超压泄放装置的 改进 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 —一采用在安全阀入口处串联爆破片 的组合方式，保证即使在安全阀受损的情况下。 爆破片仍能起到隔离和超压泄放的作用。 为了进一步研究采用这种串联组合方式后 对安全阀和爆破片的排放性能会产生什么样的 影响，进行了下面一系列试验。 *顾雪铭，男，1 973年5月生，硕士，讲师。上海市，200237。 2．1 单个爆破片装置爆破性能测定 由具有监检资质的单位分别对DN50、 DN40两种规格的爆破片进行抽检并测定下列 性能数据： (1)50 C条件下爆破片的爆破压力，每种 规格各抽爆三片，爆破试验按GB567—1999 《爆破片与爆破片装置》的要求进行； (2)常温条件下爆破片的爆破压力，每种 规格各抽爆三片，爆破试验按 GB567—1999 《爆破片与爆破片装置》的要求进行； (3)验证爆破片爆破时没有碎片产生。 2．2 单个安全阀校验及其性能测定 剞一 } ÷卜 ．{·卜．{ —}卜—+卜．{H ·廿 -llH H 参 考 文 献 1 段权．程光旭．姜培正 16MnR低周疲劳裂纹萌生寿命 的统计分布研究．压力容器．2000．1 7(1)：42～46 ： 机械工程材料性能数据手册编委会编 机械工程材料性 能数据手册．北京：机械工业出版社，1 994 3 周剑秋，张卫华．含缺陷压力管线疲劳寿命预测的计算 方法．南京化工大学学报．2000，22(3)：36～38 4 冯耀容．李鹤林等．输油管线的安全评价与寿命预测． 力容器．1998，15(3)：59～63 5 李培宁，徐宏．ASME IWB一3650压力管道缺陷评定规 范介绍．压力容器，1 993．10(6)：517～521 6 涂善东，戴树和．高温过程设备的寿命评价技术进展．压 力容器，1 996．1 3(2)：151～1 58 7 赵新伟，罗金恒，韩晓毅等．在役油气管道腐蚀剩余寿 命预测方法．压力容器，2001，18(2)：56～58 (收稿日期：2004—07-12) 维普资讯 http://www.cqvip.com