壓力容器壽命評價技術研究

馮 馳

（寧夏回族自治區鍋爐壓力容器檢驗所，寧夏 銀川750001）

0 引言

在沒有依據的情況下報廢壓力容器，會給企業帶來帶來經濟損失，但如果盲目使用已經失效的壓力容器，一旦發生事故，不僅會使整個壓力容器的結構遭到破壞，而且還會造成人身事故，帶來更大的災難。因此，如果能采取一套行之有效的方法，對這些設備經過嚴格的非破壞性檢驗和材質的調查，并正確診斷之后，能比較精確的評價其壽命，則會帶來極大的利益。因此，各國對如何正確評價壓力容器壽命的技術進行了積極而廣泛的研究。

1 評價壓力容器剩余壽命的方法

當定期地使用非破壞性檢測儀器，檢測出裂紋和裂紋性缺陷時，就可以根據下式計算出壓力容器的剩余壽命（時間）。

式中：C和M為常數，它與材料的斷裂韌性和裂紋擴展速度有關。 M 為 Taylor因子，它等于（cosφ·cosλ）－1，其中 φ 為拉伸軸與滑移面法線之間夾角，λ為拉伸軸與滑移方向之間夾角；a為裂紋或裂紋性缺陷的長度；acr與臨界裂紋的長度，它可用下式計算出來。

式中：Q 為應力強化系數，它等于［1＋ln（1＋X／a）］，其中 X 為缺口腳部的距離，Kic為裂紋斷裂韌性，σ為應力。

上式說明，壓力容器的剩余壽命，就是被檢出的裂紋缺陷長度a，當其擴大延伸時達到引起該材料發生脆性斷裂的臨界裂紋長度acr的時間。要想對壓力容器壽命進行計算，則必須有如下六方面的數據：

①材料的化學成分（也就是所謂的J—因子）；

②在零度以上的材料夏氏V型沖擊吸收能量；

③在零度以上的材料的屈服應力；

④有關裂紋的長度和形狀的系數；

⑤時間；

⑥應力。

2 預測材質的劣化

預測材質劣化的主要性能是材料的回火脆化。代表材料的回火脆化可以有很多參數，但最主要的是所謂的FATT——脆性轉變溫度。

壓力容器大多是用碳鋼和低合金鋼制造的，這些鋼種都具有體心立方晶體，其韌性隨溫度改變而變化的敏感性遠大于面心立方晶格的金屬（如 Ni，Cu，奧氏體鋼等）。而且試驗證明，低合金鋼的韌性隨溫度降低而逐漸減小，并且在一定臨界溫度范圍內韌性會顯著減小，該臨界溫度稱為轉變溫度。體心立方晶體金屬脆性特點就是存在著這種脆性轉變溫度。在工程中常采用的轉變溫度標準是由夏氏V型缺口沖擊試驗所確定的轉變溫度，而最常用的是用沖擊試樣斷口外貌來確定FATT。一般說來，隨著試驗溫度降低，沖擊試樣斷口會由纖維狀轉變為脆性斷裂時顆粒狀斷口，現時都是采用纖維狀斷口（或顆粒狀斷口）百分數達到某一規定值（通常是50%）時的溫度作為轉變溫度，常用50%FATT表示。FATT的實際意義是，因鋼材的韌性隨溫度降低而逐漸減小進而趨于脆化，故在防止結構脆斷中，人們采用最低工作溫度作為抗脆斷設計和選擇材料的依據。還規定了在最低工作溫度時所需要的沖擊韌性。 各鋼種的 FATT 又與 J—因子［＝（Si+Mn）（P+Sn）］×104（重量）%，x（＝10p+5sb+4Sn+As）×10-2，以及使用時間等有密切的關系。這些數據可以從有關手冊中查到。例如，對于2*1/4*cr-1Mo鋼來說，當使用時間—定時，J—因子越大的材料，其 FATT就向高溫移動。譬如，使用時間為10萬小時，J—因子為 J300時的 FATT約為120℃，J273時的 FATT約為 95℃，J212的 FATT約為 52℃，J150的 FATT約為 20℃，J100的 FATT約為 0℃。

3 由FATT推算K1H（下臨界應力擴大系數）

由非破壞性檢驗測出的缺陷和裂紋，它們并非全部都是有害的缺陷或裂紋。只有那些能擴展的裂紋才會影響壓力容器的安全性和使用壽命。例如，在有氫存在下，由于它會使裂紋擴展，使得檢出的缺陷或裂紋的 KI（應力場強度因子）超過K1H 時，即 KI≥N1H，該裂紋就會擴展。KI的定義是。其中K為應力場強度因子，下標I是表示I型（張開型）裂紋。y是與裂紋形狀、試樣類型和加載方式等有關的量，例如，對于無阻寬板中心貫穿裂紋來說，其為外加應力，a為材料內裂紋長度。由其定義可見，KI隨著外加應力的增高而增大。KI的增大使裂紋前沿各點的內應力也隨著增大。當KI增大到等于某一臨界值時，就會使裂紋前端某一區域內的內應力等于脆性材料的斷裂強度。這時裂紋前端的材料將分離，該裂紋就失穩而擴展，從而導致脆斷。

K1H與下臨界應力擴大系數，它與材料的退火脆化有著密切的關系。譬如，對于2.25Cr-1MO鋼來說，當含氫量為2.0-2.5ppm時，K1H將隨著FAlT的增高而降低。并有如下關系。

因為材科的退火脆化程度不同，其 K1H值也不相同，所以必須求出與材料退火脆化程度相對應的K1H值。

4 根據夏氏 V型沖擊吸收能量計算 KIc（裂紋斷裂韌性）

如上節所述，裂紋失穩擴展到臨界狀態所對應的應力場強度因子，被稱為臨界應力場強度因子，用KIc表示。KIc通常稱為材料的斷裂韌性。它的物理意義是材料抵抗裂紋失穩擴展能力的量度。

在實際評價壓力容器的壽命時，必須推算出該材料的斷裂韌性。當然推算材料的斷裂韌性的方法很多，而最方便和可靠的是由夏氏V型沖擊試驗結果來決定。例如，對2十鋼而言，在FATT高于0℃以上的區域，則有如下Roife-Novak的經驗公式可以利用。

其中，KIc為在FATT為0℃以上時的斷裂韌性，其單位為MPa/M；CVN-us為夏氏V型沖擊試驗的吸收能量，單位為J；σy為材料的屈服強度，單位為MPa。

同時還可以將KIc隨FATT的變化作成一個通用圖表，并由該圖可以查出在不同置信度下與FATT相對應的KIc來。并從而可以進一步得出經過長時間使用后該壓力容器制造材料的KIc值。

5 計算殘余應力

如上所述，Kl是與裂紋長度的0.5次方成正比，并與內應力（殘余應力）成正比。并且，殘余應力是壓力容器安全性的一個重要標志。因此，壓力容器結構材料中存在的殘余應力是很重要的一個因素。但是要測定材料中的殘余應力又是十分因難的。因此，一般是將殘余應力計算在作用應力之內，并取總合成應力為材料的屈服應力值，但這樣計算出的壓力容器壽命會明顯縮短。因此，如何正確地考慮殘余應力是預測壓力容器壽命的重要問題之一。造成材料中的殘余應力主要有如下兩方面，即由于熱膨脹系數差引起的殘余應力σR1和由于結構曲引起的殘余應力σR1。

①由于熱膨脹系數蟹引起的殘余應力

②由于結構物引起的殘余應力

③殘余應力的推算

6 壓力容器的氫脆

氫裂紋的擴展。一般認為氫裂紋的擴展過程是當氫向較高應力區擴散，該區的應力水平和氫含量在局部地區達到臨界值時就發生開裂。爾后，氫又向高應力區擴散，經一定的孕育期后在裂紋尖端再次出現臨界狀態，于是氫的第二次開裂又發生。這個過程不斷反復，使裂紋尖端的氫裂紋不斷形成和擴展，最后導致斷裂。

要定量地評價壓力容器的氫斷裂，則必須定量的知道氫裂紋擴展的速度。對氫裂紋擴展速度的研究表明，氫裂紋擴展具有三個不同的階段。

7 結束語

總之，電站氫氣壓力容器作為壓力容器中的重要非熱力系統壓力容器，主要負責存儲供發電機冷卻使用的氫氣，在電廠的安全生產中占有舉足輕重的位置，對電站氫氣壓力容器進行安全性能評定的研究具有重要的理論價值和實際意義。

［1］李培寧.在用壓力容器安全狀況等級評估與缺陷評定[J].壓力容器,1991,8(3)：65-70.

［2］壓力容器安全評定規程編寫組.在役含缺陷壓力容器安全評定規程[S].1995.