含缺陷鍋爐大板梁安全性評(píng)定分析

王遠(yuǎn)祥 陳健陵 萬叢偉

（1、清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 611731 2、東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001）

鍋爐大板梁是鍋爐鋼架的重要承載部件，鍋爐本體的主要荷載都是通過吊桿傳遞給頂板，最終通過大板梁傳遞給鋼架立柱，大板梁的承載高達(dá)數(shù)千噸，其重要性不言而喻，大板梁的安全是整個(gè)鍋爐系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本保障。

大板梁服役條件相對(duì)惡劣，一般都處于高空，在出現(xiàn)缺陷的情況下，更換和加固的難度特別大，若不作處理而發(fā)生斷裂或塑性失效將產(chǎn)生十分嚴(yán)重的安全質(zhì)量事故，為保證含缺陷的大板梁能夠安全服役，進(jìn)行大板梁的安全評(píng)定十分重要，通過精確地理論計(jì)算和科學(xué)的安全評(píng)定，保證已產(chǎn)生裂紋缺陷的大板梁不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展而引起塑性變形失效，又避免不必要的更換和加固而造成巨大的工程量和經(jīng)濟(jì)代價(jià)。

僅憑傳統(tǒng)的材料力學(xué)強(qiáng)度理論和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，已無法對(duì)含缺陷構(gòu)件的安全性做出可靠的判定。而斷裂力學(xué)理論為研究含裂紋或類裂紋缺陷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂行為提供了有力的手段[1，2]。本文將采取斷裂力學(xué)方法，運(yùn)用裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)比和歐洲結(jié)構(gòu)完整性分級(jí)評(píng)定方法SINTAP 對(duì)含缺陷大板梁的工作狀態(tài)進(jìn)行安全評(píng)定。

1 工程背景

某300MW 電廠在停爐檢修的常規(guī)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)2#爐第四根大板梁拼接爐左側(cè)大板梁下翼板拼接焊縫端面存在裂紋缺陷，經(jīng)復(fù)核檢查，大板梁縱向拼縫在爐前端沿焊縫方向存在長13mm，深35mm 的表面裂紋缺陷，如圖1 所示。

圖1 裂紋缺陷形貌

大板梁尺寸H3600×1000×30×100，材料為Q345B，下翼緣裂紋缺陷在柱端內(nèi)側(cè)4m 位置，經(jīng)過計(jì)算分析，裂紋處下翼緣的受拉應(yīng)力為165MPa，裂紋相對(duì)大板梁橫截面的位置如圖2 所示。

圖2 裂紋缺陷位置示意圖

2 斷裂韌性裂紋擴(kuò)展初步評(píng)定

2.1 評(píng)定方法

應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征材料斷裂的重要參量，是結(jié)構(gòu)件在外力作用下的彈性物體裂紋尖端附近的應(yīng)力場強(qiáng)度的指標(biāo)，斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料韌性的定量指標(biāo)。通過比較應(yīng)力強(qiáng)度因子和材料斷裂韌性，可有效判別構(gòu)件裂紋缺陷的穩(wěn)定性。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性，裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)安全；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，而后導(dǎo)致斷裂。

2.2 安全性評(píng)定分析

進(jìn)行斷裂力學(xué)分析首先需要明確三項(xiàng)基本要素：裂紋的形狀及尺寸、幾何及荷載條件、材料的斷裂韌度。結(jié)合《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》（GB/T 19624-2004）[3]，該大板梁端部的焊縫端部表面缺陷，可簡化為半橢圓表面裂紋，如圖3 所示。

圖3 半橢圓表面裂紋模型

其中：

a 為裂紋高度（深度），為35mm；

2c 為裂紋長度，為13mm；

2W 為大板梁翼緣厚度，為100mm；

t 為大板梁翼緣寬度，為1000mm。

橢圓表面裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子K 為[3]：

選擇平面斷裂韌度作為裂紋擴(kuò)展的安全性的判定依據(jù)，通過對(duì)比該種缺陷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子K 及斷裂韌度Kmat來判定裂紋是否會(huì)擴(kuò)展，若K 小于Kmat，則裂紋處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，大板梁處于安全狀態(tài)；若K 大于Kmat，則裂紋可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，大板梁處于不穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

大板梁翼緣板拼接焊縫接頭處包含Q345B 材料、焊縫金屬和熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域，斷裂韌性在不同區(qū)域取值不同，且隨板厚及相對(duì)位置發(fā)生變化。裂紋處于焊縫金屬區(qū)域，可選擇焊縫金屬區(qū)域的斷裂韌性值KIC作為為基本的斷裂韌性值進(jìn)行安全性評(píng)定。為安全性考慮，選擇焊縫金屬區(qū)域的1/2 厚度位置的斷裂韌度Kmat（2941～4316）[5]作為安全性評(píng)定的基本斷裂韌度。

表面裂紋的幾何修正函數(shù)為FS，且有[3]：

2.3 安全性評(píng)定結(jié)果

對(duì)大板梁焊縫進(jìn)行計(jì)算可得簡化模型的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子：

表1 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子

設(shè)計(jì)應(yīng)力作用下，裂紋缺陷的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子小于材料的斷裂韌性值，裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展；取材料的斷裂韌度下限值2941 時(shí)，裂紋的抗斷安全系數(shù)為1.45。在材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度250MPa的作用下，裂紋的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子為2732，仍小于焊縫金屬區(qū)域的最小斷裂韌度，裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。

3 SINTAP 的進(jìn)一步安全評(píng)定

3.1 評(píng)定方法

SINTAP 是一個(gè)基于“合于使用”原則，結(jié)合脆性斷裂、延性撕裂和塑形失穩(wěn)等問題都進(jìn)行了安全評(píng)定的方案，其主要有失效評(píng)定圖（FAD）和裂紋驅(qū)動(dòng)力（CDF）兩種評(píng)定方法[6]。兩種評(píng)定方法的根本都是運(yùn)用斷裂力學(xué)原理和塑性極限分析使結(jié)構(gòu)在載荷不超過最大極限載荷時(shí)得到避免失效。裂紋驅(qū)動(dòng)力（CDF）評(píng)定方法必須通過對(duì)結(jié)構(gòu)形狀、裂紋大小和形狀、材料的抗拉性以及載荷進(jìn)行彈塑性分析進(jìn)行評(píng)估。采用CDF 方法進(jìn)行評(píng)定時(shí)，對(duì)于不同缺陷得到的評(píng)定曲線是一系列的曲線，并且存在斷裂韌性到最大裂紋尖端寬度或最大能量積分的轉(zhuǎn)換[6]。而FAD 評(píng)定方法則相對(duì)簡單直接。本文選擇相對(duì)直接的FAD 進(jìn)行安全性評(píng)定。

失效評(píng)定圖的關(guān)鍵是失效評(píng)定曲線。曲線由縱坐標(biāo)Kr=K/Kmat，橫坐標(biāo)Lr=F/FY 及f(Kr)曲線組成一個(gè)密封區(qū)間，如圖4 所示。

圖4 失效評(píng)定圖

其中K 是裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，Kmat為材料斷裂韌性，F(xiàn)為結(jié)構(gòu)荷載，F(xiàn)Y 為塑性極限荷載。

失效評(píng)定曲線與裂紋的大小、尺寸和位置及構(gòu)件的幾何尺寸無關(guān)，僅與材料本身特性相關(guān)，不同的評(píng)定等級(jí)的失效評(píng)定圖函數(shù)是不一樣的。評(píng)定程序可以根據(jù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和保守程度分為七個(gè)等級(jí)，等級(jí)越高對(duì)原始數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求也越高，根據(jù)目前已有的數(shù)據(jù)，本文選擇0B 級(jí)、1B 級(jí)評(píng)定方法進(jìn)行含缺陷大板梁安全性評(píng)定。

3.2 安全性評(píng)定

根據(jù)大板梁的裂紋尺寸和荷載大小進(jìn)行Kr 和Lr 的計(jì)算，當(dāng)結(jié)果處于安全區(qū)，則大板梁安全，若結(jié)果不在安全區(qū)范圍內(nèi)，則大板梁有失穩(wěn)斷裂的危險(xiǎn)。

3.3 評(píng)定結(jié)果

運(yùn)用MATLAB 軟件，根據(jù)評(píng)定公式和相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行評(píng)定分析，可得到評(píng)定點(diǎn)（Lr,Kr）與失效評(píng)定曲線的相對(duì)位置，評(píng)定結(jié)果顯示含缺陷大板梁處于安全區(qū)范圍內(nèi)，如圖5 所示，不需要對(duì)大板梁進(jìn)行加固處理即可滿足大板梁繼續(xù)服役需求。

圖5 安全評(píng)定結(jié)果圖

4 結(jié)論

4.1 大板梁裂紋缺陷通過斷裂韌性裂紋擴(kuò)展安全評(píng)定，應(yīng)力強(qiáng)度因子小于材料自身斷裂韌性，大板梁處于安全狀態(tài)。

4.2 采用SINTAP 的進(jìn)一步安全評(píng)定，缺陷安全評(píng)定結(jié)果處于0B 級(jí)評(píng)定和1B 級(jí)評(píng)定的安全區(qū)范圍內(nèi)，裂紋不發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。

4.3 鑒于大板梁在整個(gè)鍋爐結(jié)構(gòu)中的重要性，建議對(duì)大板梁的裂紋缺陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。