含缺陷鍋爐大板梁安全性評定分析

王遠祥 陳健陵 萬叢偉

（1、清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點試驗室，四川 成都 611731 2、東方電氣集團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，大板梁的承載高達數千噸，其重要性不言而喻，大板梁的安全是整個鍋爐系統正常運行的基本保障。

大板梁服役條件相對惡劣，一般都處于高空，在出現缺陷的情況下，更換和加固的難度特別大，若不作處理而發生斷裂或塑性失效將產生十分嚴重的安全質量事故，為保證含缺陷的大板梁能夠安全服役，進行大板梁的安全評定十分重要，通過精確地理論計算和科學的安全評定，保證已產生裂紋缺陷的大板梁不會發生裂紋擴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濟代價。

僅憑傳統的材料力學強度理論和鋼結構設計方法，已無法對含缺陷構件的安全性做出可靠的判定。而斷裂力學理論為研究含裂紋或類裂紋缺陷結構構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方法，運用裂紋尖端應力強度因子對比和歐洲結構完整性分級評定方法SINTAP 對含缺陷大板梁的工作狀態進行安全評定。

1 工程背景

某300MW 電廠在停爐檢修的常規檢測中發現2#爐第四根大板梁拼接爐左側大板梁下翼板拼接焊縫端面存在裂紋缺陷，經復核檢查，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側4m 位置，經過計算分析，裂紋處下翼緣的受拉應力為165MPa，裂紋相對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 斷裂韌性裂紋擴展初步評定

2.1 評定方法

應力強度因子是表征材料斷裂的重要參量，是結構件在外力作用下的彈性物體裂紋尖端附近的應力場強度的指標，斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴展的能力，是度量材料韌性的定量指標。通過比較應力強度因子和材料斷裂韌性，可有效判別構件裂紋缺陷的穩定性。當應力強度因子小于斷裂韌性，裂紋處于穩定狀態，不發生擴展，結構安全；當應力強度因子大于斷裂韌性，裂紋失穩擴展，而后導致斷裂。

2.2 安全性評定分析

進行斷裂力學分析首先需要明確三項基本要素：裂紋的形狀及尺寸、幾何及荷載條件、材料的斷裂韌度。結合《在用含缺陷壓力容器安全評定》（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力強度因子K 為[3]：

選擇平面斷裂韌度作為裂紋擴展的安全性的判定依據，通過對比該種缺陷作用下的應力強度因子K 及斷裂韌度Kmat來判定裂紋是否會擴展，若K 小于Kmat，則裂紋處于穩定狀態，不會發生擴展，大板梁處于安全狀態；若K 大于Kmat，則裂紋可能會發生擴展，大板梁處于不穩定狀態[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三個區域，斷裂韌性在不同區域取值不同，且隨板厚及相對位置發生變化。裂紋處于焊縫金屬區域，可選擇焊縫金屬區域的斷裂韌性值KIC作為為基本的斷裂韌性值進行安全性評定。為安全性考慮，選擇焊縫金屬區域的1/2 厚度位置的斷裂韌度Kmat（2941～4316）[5]作為安全性評定的基本斷裂韌度。

表面裂紋的幾何修正函數為FS，且有[3]：

2.3 安全性評定結果

對大板梁焊縫進行計算可得簡化模型的最大應力強度因子：

表1 裂紋尖端應力強度因子

設計應力作用下，裂紋缺陷的最大應力強度因子小于材料的斷裂韌性值，裂紋不會發生擴展；取材料的斷裂韌度下限值2941 時，裂紋的抗斷安全系數為1.45。在材料設計強度250MPa的作用下，裂紋的最大應力強度因子為2732，仍小于焊縫金屬區域的最小斷裂韌度，裂紋不會發生擴展。

3 SINTAP 的進一步安全評定

3.1 評定方法

SINTAP 是一個基于“合于使用”原則，結合脆性斷裂、延性撕裂和塑形失穩等問題都進行了安全評定的方案，其主要有失效評定圖（FAD）和裂紋驅動力（CDF）兩種評定方法[6]。兩種評定方法的根本都是運用斷裂力學原理和塑性極限分析使結構在載荷不超過最大極限載荷時得到避免失效。裂紋驅動力（CDF）評定方法必須通過對結構形狀、裂紋大小和形狀、材料的抗拉性以及載荷進行彈塑性分析進行評估。采用CDF 方法進行評定時，對于不同缺陷得到的評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換[6]。而FAD 評定方法則相對簡單直接。本文選擇相對直接的FAD 進行安全性評定。

失效評定圖的關鍵是失效評定曲線。曲線由縱坐標Kr=K/Kmat，橫坐標Lr=F/FY 及f(Kr)曲線組成一個密封區間，如圖4 所示。

圖4 失效評定圖

其中K 是裂紋尖端應力強度因子，Kmat為材料斷裂韌性，F為結構荷載，FY 為塑性極限荷載。

失效評定曲線與裂紋的大小、尺寸和位置及構件的幾何尺寸無關，僅與材料本身特性相關，不同的評定等級的失效評定圖函數是不一樣的。評定程序可以根據數據的質量和保守程度分為七個等級，等級越高對原始數據質量的要求也越高，根據目前已有的數據，本文選擇0B 級、1B 級評定方法進行含缺陷大板梁安全性評定。

3.2 安全性評定

根據大板梁的裂紋尺寸和荷載大小進行Kr 和Lr 的計算，當結果處于安全區，則大板梁安全，若結果不在安全區范圍內，則大板梁有失穩斷裂的危險。

3.3 評定結果

運用MATLAB 軟件，根據評定公式和相應的參數進行評定分析，可得到評定點（Lr,Kr）與失效評定曲線的相對位置，評定結果顯示含缺陷大板梁處于安全區范圍內，如圖5 所示，不需要對大板梁進行加固處理即可滿足大板梁繼續服役需求。

圖5 安全評定結果圖

4 結論

4.1 大板梁裂紋缺陷通過斷裂韌性裂紋擴展安全評定，應力強度因子小于材料自身斷裂韌性，大板梁處于安全狀態。

4.2 采用SINTAP 的進一步安全評定，缺陷安全評定結果處于0B 級評定和1B 級評定的安全區范圍內，裂紋不發生失穩擴展。

4.3 鑒于大板梁在整個鍋爐結構中的重要性，建議對大板梁的裂紋缺陷實時監測。