洪力陽(yáng)， 陳 玲， 張永發(fā)

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

0 前 言

壓力管道是是利用一定的壓力，輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，能廣泛應(yīng)用于各種民用和工業(yè)領(lǐng)域，尤其在流體的輸送方面，管道運(yùn)輸具有不可取代的突出優(yōu)勢(shì)。然而工業(yè)管道在服役期間存在制管和施工缺陷，可能會(huì)因?yàn)楦g、機(jī)械損傷等因素引起管線的泄漏和開(kāi)裂，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸中毒等事故發(fā)生，因此其安全評(píng)定工作非常重要。

對(duì)于船用核動(dòng)力管道，在工業(yè)管道的基礎(chǔ)上還要考慮輻照以及海水腐蝕對(duì)于缺陷的影響；熱應(yīng)力循環(huán)和高溫蠕變作用對(duì)于管道疲勞壽命的發(fā)展也不可忽視。本文通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外常用的壓力管道安全評(píng)定技術(shù)，為下一步研究艦船核動(dòng)力管道安全評(píng)定方法提供參考。

1 缺陷類別

在對(duì)含缺陷管道進(jìn)行安全評(píng)定之前，首先需要了解管道的缺陷類別，認(rèn)識(shí)各種缺陷的表現(xiàn)形式，以便更好地選用合適的安全評(píng)定方法。根據(jù)缺陷的幾何特征、性質(zhì)、位置以及方向等方面，我們可以將缺陷劃分為不同的類別。

1.1 根據(jù)性質(zhì)進(jìn)行劃分

根據(jù)缺陷的不同性質(zhì)，我們可以將其分為裂紋、孔穴、固體夾雜、未熔合、未焊透等等，具體情況見(jiàn)表1。

表1 缺陷的類別、含義及其具體形式

1.2 根據(jù)位置進(jìn)行劃分

根據(jù)缺陷的位置可將其分為穿透缺陷、內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷，具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 缺陷類型

1.3 根據(jù)幾何特征進(jìn)行劃分

根據(jù)缺陷的幾何特征可將其分為平面型缺陷和體積型缺陷。平面型缺陷也叫裂紋型缺陷，包括裂紋、未熔合、夾層等等缺陷類型；體積型缺陷則包括孔穴、夾渣等。

在安全評(píng)定分析中，平面型缺陷和體積型缺陷是最常劃分的方式，一般在進(jìn)行安全評(píng)定時(shí)會(huì)將其進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)則化(表征)，具體情況見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 平面型缺陷的表征

圖3 體積型缺陷的表征

此外，還可以根據(jù)缺陷方向分為徑向缺陷和環(huán)狀缺陷，按材料和加工工藝分為焊接缺陷、鑄造缺陷、鍛壓缺陷等。

2 評(píng)定方法介紹

國(guó)際上自20世紀(jì)70年代初期就開(kāi)始對(duì)含缺陷管道的安全評(píng)定方法進(jìn)行研究，主要有塑性極限載荷評(píng)價(jià)方法、彈塑性強(qiáng)度理論、斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)方法以及雙判據(jù)評(píng)價(jià)方法等。因此可以根據(jù)不同的缺陷類別和表現(xiàn)形式，選用合適的安全評(píng)定方法。

2.1 塑性極限載荷評(píng)價(jià)方法

由于壓力管道通常是對(duì)接焊縫，焊接缺陷一般為環(huán)向缺陷，相對(duì)于壓力容器，缺陷的尺寸較小，壁厚薄，材料的韌性較好，因此失效模式通常是由極限載荷控制的塑形失效。因此可以根據(jù)凈截面屈服準(zhǔn)則和最大應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行評(píng)定[1]。

2.1.1 凈截面屈服準(zhǔn)則(NSC)

凈截面屈服準(zhǔn)則最早由Kanninen等人提出。該準(zhǔn)則認(rèn)為在彎矩或同時(shí)施加內(nèi)壓的作用下，含環(huán)向缺陷的壓力管道所在橫截面進(jìn)入全面屈服時(shí)會(huì)產(chǎn)生失效。若考慮材料的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，那么管道的橫截面應(yīng)力達(dá)到流變應(yīng)力時(shí)將處于極限狀態(tài)。由此可以得到該管道能承受的最大彎矩MNRC。公式如下：

MNRC=2σfR2t(2sinβ-fsinα)

式中：σf指流變應(yīng)力，一般取材料的強(qiáng)度極限與屈服極限的平均值，MPa；R，t分別表示管道的平均半徑和壁厚，mm；α是管道所含缺陷的半周角；β是由缺陷的存在引起的管道斷面的抗彎中性軸的偏離角；f是管道所含缺陷的深度a與壁厚t之比，f=a/t。

后來(lái)在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了修正，分別是無(wú)因子塑性參數(shù)DPZP的修正系數(shù)MPZ，管子材料的修正系數(shù)Mf以及管道的橢圓化修正因子MV。修正后實(shí)際承載能力M為：

M=(MPZMfMv)MNSC

式中MNSC是由原凈截面屈服準(zhǔn)則計(jì)算的結(jié)果。

2.1.2 最大應(yīng)力準(zhǔn)則

最大應(yīng)力準(zhǔn)則最早由德國(guó)MPA材料研究所在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出。該準(zhǔn)則認(rèn)為其裂紋(環(huán)向裂紋的管道)所在截面內(nèi)的最大應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限σu時(shí)產(chǎn)生失效，此時(shí)最大彎矩M為：

2.2 線彈性斷裂力學(xué)評(píng)定方法

1948年Irwin發(fā)表了論文《Fracture Dynamics》，標(biāo)志著斷裂力學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的工程學(xué)科，隨后大量的研究集中于線彈性斷裂力學(xué)。

該理論認(rèn)為裂紋體各部分的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)诖嘈詳嗔堰^(guò)程中處于線彈性狀態(tài)，塑性變形階段只存在于裂紋尖端的極小區(qū)域內(nèi)。處理方式有兩種：一種是通過(guò)研究裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，運(yùn)用應(yīng)力強(qiáng)度因子及對(duì)應(yīng)的斷裂韌度K判據(jù)而提出的應(yīng)力應(yīng)變分析方法；另一種是能量分析方法，主要是研究裂紋擴(kuò)展時(shí)系統(tǒng)能量的變化，運(yùn)用能量釋放率及其對(duì)應(yīng)的斷裂韌度和G判據(jù)[2]。

線彈性斷裂力學(xué)將結(jié)構(gòu)視為不發(fā)生屈服的彈性體，因此一般適用于脆性材料的裂紋型缺陷判定。

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析法(K判據(jù))

該方法假設(shè)有一塊無(wú)限大板(承受均勻拉應(yīng)力)，含有一處長(zhǎng)為2a的I型穿透裂紋，如圖4所示。

圖4 裂紋尖端的應(yīng)力分析

若給定裂紋尖端附近一點(diǎn)(r，θ)，且裂紋體的材料一定，則該點(diǎn)的位移分量、各應(yīng)力和應(yīng)變由KI值唯一確定，KI值越大對(duì)應(yīng)的值也越高。因此KI可反映裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，故稱之為應(yīng)力強(qiáng)度因子，它綜合反映了裂紋位置、長(zhǎng)度以及外加應(yīng)力對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的影響，其表達(dá)式一般為：

式中：Y是裂紋形狀系數(shù)，取決于裂紋的類型；σ是應(yīng)力，MPa；a是裂紋尺寸。

在裂紋尖端足夠大的范圍內(nèi)，若其應(yīng)力值達(dá)到了材料的斷裂強(qiáng)度(即裂紋尺寸a或應(yīng)力σ達(dá)到臨界值)，那么裂紋就會(huì)因?yàn)槭Х€(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，這時(shí)KI也達(dá)到一個(gè)臨界值，記為KIC，單位為MPa·m1/2。

因此，可以根據(jù)KI與KIC值的相對(duì)大小建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆斷的斷裂K判據(jù)：

KI≥KIC

受力時(shí)，裂紋體只要滿足上述條件，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂；反之，即使存在裂紋，也不會(huì)發(fā)生斷裂。

2.2.2 能量分析法(G判據(jù))

Griffith最早用能量法研究脆性材料的斷裂強(qiáng)度及其受裂紋的影響，提出驅(qū)使裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力是彈性能的釋放率，令其為GI：

GI為裂紋擴(kuò)展的能量釋放率，J/mm2。當(dāng)GI增大到某一臨界值GIC，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂，GIC稱為斷裂韌度。

因此，可以根據(jù)GI和GIC的相對(duì)大小建立裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的力學(xué)條件，即G判據(jù)：GI≥GIC

2.3 彈塑性斷裂力學(xué)評(píng)定方法

彈塑性斷裂評(píng)定的方法主要建立在彈塑性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，主要可以分為COD法(裂紋尖端張開(kāi)位移法)和J積分理論法[2]。一般用于裂紋型缺陷的評(píng)定過(guò)程中。

2.3.1 裂紋尖端張開(kāi)位移法(COD法)

1965年，WELLS提出了彈塑性斷裂力學(xué)的COD理論，后發(fā)展為半經(jīng)驗(yàn)的COD設(shè)計(jì)曲線方法，成為20世紀(jì)70年代國(guó)際缺陷評(píng)定規(guī)范主要采用的評(píng)定方法。

裂紋體受載后，在裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產(chǎn)生的位移即為裂紋尖端張開(kāi)位移，可用δ表示。在小范圍屈服條件下，裂紋尖端的塑性區(qū)進(jìn)行修正，裂紋由a虛擬擴(kuò)展到a+ry，尖端由O點(diǎn)移到O’，如圖5所示。

圖5 裂紋尖端張開(kāi)位移

δ的臨界值稱為斷裂韌度，表示材料阻止裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的能力，根據(jù)δ和δC的相對(duì)大小關(guān)系，可以建立斷裂δ判據(jù)：

δ≥δC

而對(duì)于大范圍的屈服，KI與GI都已不再適用，但COD仍可以進(jìn)行評(píng)估。Dugdale應(yīng)用Muskhelishvili復(fù)變函數(shù)解彈性問(wèn)題的方法，提出帶狀屈服模型(DM模型)，導(dǎo)出了塑性條件下的COD表達(dá)式，如圖6所示。

圖6 帶狀屈服模型

設(shè)有一長(zhǎng)2a的I型穿透裂紋存在于塑性材料無(wú)限大薄板中，遠(yuǎn)處平均作用應(yīng)力為σ，裂紋尖端的塑性區(qū)ρ呈尖劈型。若沿x軸將塑性區(qū)割開(kāi)，則裂紋長(zhǎng)度由原來(lái)的2a變?yōu)?c，在割面上下方代之以應(yīng)力σS，以阻止裂紋張開(kāi)，于是該模型就變?yōu)樵?a，c)和(-a，c)區(qū)間作用有σS，無(wú)限遠(yuǎn)處有均勻應(yīng)力σ的線彈性問(wèn)題。則：

2.3.2 J積分評(píng)定法

1968年，Rice提出了J積分，Hutchinson證明了J積分可以用來(lái)描述彈塑性體中裂紋的擴(kuò)展，在這之后，逐步發(fā)展為彈塑性斷裂力學(xué)。J積分理論可定量的描述裂紋體的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的強(qiáng)度，如圖7所示，設(shè)有一單位長(zhǎng)度的I型裂紋體，取一逆時(shí)針回路Γ，其應(yīng)變能密度為ω(包圍體積內(nèi)的)，Γ上任意一點(diǎn)的作用力為T(mén)。

圖7 J積分的定義

若s為Γ周界弧長(zhǎng)，u為該點(diǎn)位移矢量，則定義J積分為：

JI為I型裂紋的能量線積分，在平面應(yīng)變的條件下，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的能量達(dá)到使裂紋開(kāi)始擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)(即外力達(dá)到破壞載荷時(shí))，JI達(dá)到相應(yīng)的臨界值JIC，也可稱為斷裂韌度。

根據(jù)JI與JIC的相互關(guān)系，可以建立J判據(jù)，即：

JI≥JIC

若滿足上式，裂紋就會(huì)開(kāi)裂。

2.4 英國(guó)R6評(píng)定方法

1976年，英國(guó)中央電力局(CEGB)發(fā)表了“帶缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)定”(R/H/R6)報(bào)告，制定了第一條失效評(píng)定曲線，因此R6法也稱為失效評(píng)定曲線法[3]，一般用于平面型缺陷評(píng)定。

直至1986年，R6法經(jīng)過(guò)了3次修訂，習(xí)慣上將之前的失效評(píng)定曲線法稱為“老R6法”，它以D-M模型為依據(jù)。后來(lái)經(jīng)美國(guó)EPRI研究，使用J積分取代窄條區(qū)屈服模型。該方法分別取縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)為Kr、Lr：

Kr=KI/KIC，Lr=P/P0

Kr反映了結(jié)構(gòu)脆性斷裂的程度，Lr是施加載荷P與塑性失穩(wěn)極限載荷P0的比值，反映了結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)程度。因此R6法也被稱為雙判據(jù)評(píng)定法，當(dāng)評(píng)定點(diǎn)(Lr，Kr)落在評(píng)定曲線外時(shí)，表示結(jié)構(gòu)失效；反之，則說(shuō)明結(jié)構(gòu)是安全的。

習(xí)慣上將CEGB于1986年修改的R6標(biāo)準(zhǔn)稱為新R6標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)以J積分為基礎(chǔ)，考慮了材料的應(yīng)變硬化效應(yīng)，建立3種可選擇的失效評(píng)定曲線，在EPRI的基礎(chǔ)上做了簡(jiǎn)化。另外改進(jìn)了裂紋的延性穩(wěn)定擴(kuò)展處理方法，提出3種類型的缺陷評(píng)定方法，可根據(jù)具體的情況選用。

新R6失效評(píng)定曲線的一般形式如圖8所示，可用一條截?cái)嗑€和一條連續(xù)的曲線表示。

圖8 新R6失效評(píng)定曲線的一般形式

截?cái)嗑€Lmax表示結(jié)構(gòu)塑性失穩(wěn)載荷與屈服載荷在缺陷尺寸很小時(shí)的比值，若Lr>Lmax，則Kr=f(Lr)=0。

R6法是美國(guó)ASME規(guī)范IWB-3640和IWB-3650管道評(píng)定方法的基礎(chǔ)，取用K判據(jù)斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子理論、COD理論以及J積分理論等眾家之長(zhǎng)和最新研究成果，能夠判別含缺陷結(jié)構(gòu)的潛在失效模式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的脆性斷裂、彈塑性斷裂和塑性失穩(wěn)分析，因此廣泛用于管道的安全評(píng)定中。之后R6標(biāo)準(zhǔn)又增設(shè)附錄9，即核壓力管道LBB評(píng)定方法，也可將其用于評(píng)定高溫蠕變場(chǎng)合，提出與時(shí)間有關(guān)的LBB失效評(píng)定圖Kr=f(Lr，T)。

2.5 英國(guó)BS7910法

1999年，英國(guó)制定《焊接結(jié)構(gòu)缺陷驗(yàn)收評(píng)定方法指南》(BS7910)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)共有3個(gè)評(píng)定級(jí)別，分別為一級(jí)簡(jiǎn)單評(píng)定、二級(jí)常規(guī)評(píng)定以及三級(jí)延性撕裂評(píng)定[4]，主要用于平面型缺陷的評(píng)定。其中的一級(jí)安全評(píng)定最為保守，主要應(yīng)用在相關(guān)評(píng)定數(shù)據(jù)較少的情況；二級(jí)評(píng)定為常規(guī)評(píng)定方法；三級(jí)評(píng)定為最高級(jí)別評(píng)定方法，主要是應(yīng)對(duì)需要分析裂紋的穩(wěn)定撕裂斷裂或者高應(yīng)變硬化指數(shù)的材料。

本文主要對(duì)BS7910-2005評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的一級(jí)安全評(píng)定方法進(jìn)行介紹。一級(jí)安全評(píng)定包括兩種(1A法與1B法)。

2.5.1 1A級(jí)評(píng)定

圖9 1A級(jí)失效評(píng)定

其中：Sr=σref/σf，Kr=KI/Kmat

式中：σref為參考應(yīng)力；σf為流變應(yīng)力，等于抗拉強(qiáng)度σb與屈服強(qiáng)度σs的算術(shù)平均值，最大值為1.2σs；KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子；Kmat為試驗(yàn)實(shí)測(cè)的斷裂韌性值，Kmat可通過(guò)夏比沖擊試驗(yàn)測(cè)得。

兩條評(píng)定線分別是Sr等于0.8的垂直線和Kr等于0.707的水平直線，若評(píng)定點(diǎn)在矩形區(qū)域之內(nèi)則安全，反之則不安全。

2.5.2 1B級(jí)評(píng)定方法

2.6 歐洲SINTAP評(píng)定法

1999年，歐洲委員會(huì)制定了歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法，該方法根據(jù)管道材料的脆斷、塑性破壞以及二者之間的相互作用，使用失效評(píng)定圖(FAD)和裂紋推動(dòng)作為分析方法，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合于使用的評(píng)定。根據(jù)材料數(shù)據(jù)的詳盡程度可分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)和3個(gè)先進(jìn)等級(jí)[5]。

SINTAP主要通過(guò)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量來(lái)降低保守性，是建立在輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量基礎(chǔ)上的分級(jí)結(jié)構(gòu)：最復(fù)雜、最準(zhǔn)確的等級(jí)需要相應(yīng)高質(zhì)量的輸入數(shù)據(jù)。

SINTAP使用的是FAD法，與R6法和BS7910相同，可用于平面型缺陷評(píng)定，但在參數(shù)計(jì)算、應(yīng)力分析等方面有所區(qū)別：

1)基本方程

第1級(jí)評(píng)定與材料的Lüders平臺(tái)相關(guān)，對(duì)于有Lüders屈服平臺(tái)的材料，其評(píng)定曲線函數(shù)：

對(duì)于連續(xù)屈服材料，曲線函數(shù)：

2)SINTAP可以在缺少詳細(xì)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)對(duì)大量鋼材性能的研究，來(lái)提供材料應(yīng)變硬化性能、屈強(qiáng)比以及屈服平臺(tái)的估算方法。

3)提出由AKV(沖擊功)估算鐵素體鋼解理斷裂區(qū)斷裂韌度下限值的方法。由于AKV與啟裂斷裂韌度間無(wú)明確的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)關(guān)系，且此下限值在工程評(píng)定中一般無(wú)法測(cè)得，因此此估算雖然數(shù)據(jù)很保守(甚至只有實(shí)際值的五分之一)，但仍然很有意義。

4)在處理時(shí)不僅采用R6的ρ因子法，同時(shí)也提出新的V因子來(lái)表示二次應(yīng)力的影響。若V>1，那么表示二次應(yīng)力超過(guò)了彈性的估計(jì)值，則塑性情況下J積分值發(fā)生變化；反之，若V<1，則表示二次應(yīng)力松弛；若V=0，則二次應(yīng)力可忽略不計(jì)。

5)闡述了一種計(jì)算約束等級(jí)的方法，以超靜態(tài)Q-應(yīng)力或裂紋尖端的彈性T-應(yīng)力為形式，修改CDF或FAD法來(lái)考慮效果。

6)給出了可靠性評(píng)定法以及軟件PRO-SINTAP，采用Monte Carlo數(shù)學(xué)模擬以及近似的一階可靠性過(guò)程。在評(píng)定過(guò)程中將斷裂韌度看為隨機(jī)變量來(lái)處理斷裂韌度的分散性問(wèn)題，目前已經(jīng)有基于SINTAP斷裂韌度概率密度的分布模型，采用柯?tīng)柲曷宸驒z驗(yàn)法和A2-W2檢驗(yàn)法來(lái)研究管線的熱影響區(qū)斷裂韌度CTOD的方法。

2.7 美國(guó)ASME系列規(guī)范評(píng)定方法

美國(guó)的ASME(機(jī)械工程師協(xié)會(huì))是國(guó)際上安全分析與評(píng)價(jià)領(lǐng)域最早和最權(quán)威的機(jī)構(gòu)。1963年頒布了第一版ASME SECTION III《核設(shè)施元件制造規(guī)則》，1984年發(fā)布了適用于剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)的ASME B31G-1984，也是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一[6]，主要用于體積型缺陷的評(píng)定。

本文主要介紹ASME第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》中的IWB-3650評(píng)價(jià)法及附錄H《鐵素體鋼管道缺陷評(píng)定規(guī)程及驗(yàn)收準(zhǔn)則》的有關(guān)內(nèi)容。

IWB-3650法可對(duì)脆性斷裂失效、塑性失穩(wěn)失效以及彈塑性斷裂(包括啟裂后韌性撕裂材料抗力增強(qiáng)至失穩(wěn)的極限載荷分析)進(jìn)行評(píng)定?？梢愿鶕?jù)管徑以及缺陷的幾何尺寸、材料性能和外載大小的計(jì)算參量(SC)值判別出潛在的失效模式，然后查出相應(yīng)的表格和算式。其中表格和算式已經(jīng)通過(guò)大量的理論分析和數(shù)值計(jì)算整理得到，因此方法非常簡(jiǎn)便。具體的失效模式判別準(zhǔn)則和FAD圖如圖10和11所示。LEFM是線彈性斷裂力學(xué)，EPFM是彈塑性斷裂力學(xué)。

圖10 失效模式判別準(zhǔn)則

圖11 失效評(píng)定

實(shí)際評(píng)定中由于JIC難以測(cè)定，因此可采用ASME推薦保守值，如評(píng)定環(huán)向缺陷(碳鋼材料)時(shí)σy=27.1Ksi(即186.9 MPa)，JIC=600 Ib/in(0.105 MN/m)。

2.8 國(guó)內(nèi)的評(píng)定方法

目前國(guó)內(nèi)使用的主要標(biāo)準(zhǔn)有如下4項(xiàng)：API579-1-20 07、BS7910-2013、GB/T19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)價(jià)》[7]以及SY/T6477-2014《含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法》[8]。

GB/T19624-2004標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)合乎使用和“最弱環(huán)”原則，將缺陷分為平面缺陷和體積缺陷，建立了應(yīng)用簡(jiǎn)便、精度高，且可適用于任意應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系材料的含周向面型缺陷壓力管道的U因子工程評(píng)定方法[7]。具體評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖12和13。

SY/T6477-2014針對(duì)管道工程中常見(jiàn)的體積型缺陷、含裂紋型缺陷、彌散型缺陷，以對(duì)管道的定量檢測(cè)為基礎(chǔ)，確定其最大許用工作壓力MAWP以及當(dāng)前工況下的最大允許缺陷尺寸。再根據(jù)缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律和材料性能退化規(guī)律，運(yùn)用軟件計(jì)算其剩余強(qiáng)度和壽命[8]。以體積型缺陷為例，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)在此有了軟件開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，具體評(píng)價(jià)流程如圖14。

圖12 平面型缺陷的評(píng)定流程

圖13 體積型缺陷的評(píng)定流程

以上所有標(biāo)準(zhǔn)都采用雙判據(jù)失效評(píng)估圖方法，兼顧了脆性斷裂失效和塑性失穩(wěn)失效，是斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)方法和塑性極限載荷評(píng)價(jià)方法的結(jié)合。

3 核動(dòng)力管道的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其流程

在核電方面，目前國(guó)內(nèi)核電機(jī)組的役前和在役檢查主要按照ASME頒布的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第XI卷《核電廠部件在役檢查規(guī)則》或法國(guó)的《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》(RSE-M規(guī)范)的要求執(zhí)行[9]。

圖14 含體積型缺陷管道的剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)流程

在核電廠核級(jí)焊縫的役前和在役檢查過(guò)程中需要對(duì)缺陷進(jìn)行處理，以判斷其是否滿足規(guī)范的要求以及應(yīng)該采取何種手段處理缺陷，具體流程如圖15所示。

圖15 缺陷處理流程

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，若要求的判據(jù)都滿足，則該含缺陷管道適用于目前的工作條件，只要采取適當(dāng)措施就可以在當(dāng)前工作條件下繼續(xù)安全運(yùn)行。若評(píng)價(jià)結(jié)果表明該含缺陷管道不適合當(dāng)前操作條件，則宜進(jìn)行降級(jí)使用，計(jì)算其MAWP值(最大允許工作壓力)，再進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

在船用核動(dòng)力方面，目前國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)檢修過(guò)程中的無(wú)損探傷來(lái)進(jìn)行判定，還沒(méi)有形成較為規(guī)范的評(píng)價(jià)方法，輻照作用以及熱應(yīng)力對(duì)于含缺陷管道的剩余強(qiáng)度和疲勞壽命的影響也沒(méi)有進(jìn)一步的研究。

4 研究方向和進(jìn)度

對(duì)于下一步研究含缺陷核動(dòng)力管道的安全評(píng)定方法，可以借鑒ASME IWB-3650以及雙判據(jù)評(píng)定方法，結(jié)合無(wú)損探傷的缺陷數(shù)據(jù)、輻照和熱應(yīng)力疲勞的影響，采用ANSYS建模分析和建立FAD失效圖的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)定，具體的評(píng)價(jià)流程還有待進(jìn)一步的分析論證。

目前前期的各項(xiàng)調(diào)研工作已經(jīng)基本完成，對(duì)于管道的材料性能參數(shù)、無(wú)損探傷法以及ANSYS分析軟件的使用等都有了基本的認(rèn)識(shí)。存在的問(wèn)題是關(guān)于含缺陷管道的數(shù)據(jù)建模、應(yīng)力值分析以及邊界條件的限定還有待進(jìn)一步的研究論證，計(jì)算結(jié)果、可靠性以及壽命預(yù)測(cè)也需要通過(guò)實(shí)際的檢修工作跟蹤論證。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)含缺陷壓力管道的評(píng)定方法以及各參照標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外的管道安全評(píng)定進(jìn)行了較為系統(tǒng)和全面的介紹。對(duì)于核用管道，國(guó)際上主要是參照ASME協(xié)會(huì)的IWB-3650法和法國(guó)的RSE-M規(guī)范的要求來(lái)進(jìn)行評(píng)定。我國(guó)目前也是借鑒了此類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，結(jié)合工程的實(shí)際需求，制定了適用性的評(píng)定方法。但是目前在船用核動(dòng)力領(lǐng)域還沒(méi)有針對(duì)性的評(píng)定方法，核管道的各項(xiàng)數(shù)據(jù)也還不完善，不能適應(yīng)目前工程以及實(shí)際任務(wù)中的需求。本文指為下一步研究艦船核動(dòng)力領(lǐng)域的含缺陷壓力管道安全評(píng)定方法提供參考和研究基礎(chǔ)。