斷裂韌度測試標準對壓力容器缺陷安全評定的影響

關鵬濤 何通東 王 斌 高文輝 屠友松

（寧波市特種設備檢驗研究院）

符號說明

a——平面缺陷規則化后的表征裂紋尺寸，mm；

B——評定用殼體計算厚度，mm；

c——表征橢圓埋藏裂紋或半橢圓埋藏表面裂紋在沿殼體表面方向的半長，mm；

fb——計算由薄膜應力σB引起的裂紋尺寸a或c方向裂紋尖端處應力強度因子時所用的裂紋構形因子；

fm——計算由薄膜應力σm引起的裂紋尺寸a或c方向裂紋尖端處應力強度因子時所用的裂紋構形因子；

G——相鄰裂紋間彈塑性干涉效應系數；

KⅠ——Ⅰ型應力強度因子，N/mm1.5；

KP——平面缺陷常規評定中考慮了分安全系數后，以應力強度因子表示的材料斷裂韌度，N/mm1.5；

KPⅠ——一次應力引起的應力強度因子，N/mm1.5；

KSⅠ——二次應力引起的應力強度因子，N/mm1.5；

Pb——一次彎曲應力，MPa；

Pm——一次薄膜應力，MPa；

Qb——二次彎曲應力，MPa；

Qm——二次薄膜應力，MPa；

ρ——平面缺陷常規評定中計算二次應力的塑性修正因子；

Ψ1——平面缺陷常規評定中，為計算Kr所涉及的塑性修正因子ρ時的中間參量。

壓力容器在制造安裝和使用過程中會產生許多缺陷，但并非所有的缺陷都會出現設備失效。通過安全評定對所含缺陷做以斷裂力學為基礎的理論分析，確定缺陷及其發展程度是否具有危險性。對于不會造成設備失效的缺陷可以允許存在；對于本身不會造成失效但可能會進一步發展的缺陷，可以允許設備在監控下使用或者降級使用；對于會造成設備失效的缺陷，應當對缺陷進行消除或修理，無修理價值的設備應當予以報廢處理。

目前，壓力容器缺陷的安全評定參照GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》［1］執行，評定中涉及到斷裂韌度的選用，該標準指出表征斷裂韌度的參量——J積分的試驗按照GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》［2］進行，而GB/T 21143—2014是參照ISO 12135—2002《Metallic Materials-Unified Method of Test for the Determination of Quasistatic Fracture Toughness》［3］制定。關鵬濤等在ASTM和ISO標準斷裂韌度測試方法研究中提出了J積分的測定可以根據材料應力應變特性來選擇合適的試驗標準，對于帶屈服平臺的材料可選用ASTM E1820—2011《Standard Test Methods for Measure ment of Fracture Toughness》［4］，不帶屈服平臺的材料可選用ISO 12135—2002［5］。為此，筆者研究ASTM和ISO兩個斷裂韌度測試標準測定得到的J積分差異性對設備缺陷評定結果的影響并給出建議，為不同材料選擇合適J積分提供理論依據。

1 設備概況

某公司于2016年1月22日投用一臺立式緩沖罐，設備規格?600 mm×6.0 mm，材料Q345R，材料屬性見表1，設計壓力0.88 MPa，設計溫度80℃，介質為氮氫混合氣體（易爆），于2019年1月進行首次定期檢驗，經射線檢測發現該容器上環焊縫存在未熔合缺陷，缺陷長度L=160 mm、高度為1.5 mm，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》［6］規定，該缺陷的安全狀況等級為4級，不滿足容器的安全使用要求。

表1 Q345R的材料屬性

2 失效評定

按照GB/T 19624—2019對立式緩沖罐的缺陷進行安全評定，評定方法選用常規評定——通用失效評定圖完成。首先需要對缺陷進行表征，缺陷表征尺寸安全系數選1.10，材料斷裂韌度分安全系數取1.20，一次應力分安全系數取1.25，二次應力分安全系數取1.00。該缺陷規則化為a=1.50 mm、c=80 mm的半橢圓表面裂紋，缺陷表征半橢圓表面裂紋尺寸為a=1.65 mm、c=88 mm。

采用ANSYS軟件對緩沖罐缺陷部位進行應力分析，由于該設備為軸對稱結構，模型可簡化為二維模型的1/4，分析結果如圖1所示，應力強度最大的部位與最小的部位比較接近，應力強度最大值不在缺陷部位。

圖1 設備應力強度分布云圖

圖2 厚度方向應力強度線性化曲線

對于半橢圓表面裂紋，根據GB/T 19624—2019，載荷比參量Lr和斷裂比參量Kr的計算式分別為：

圖3 通用失效評定圖

3 對比討論

GB/T 19624—2019規定J積分的試驗過程均按GB/T 21143—2014進行，而GB/T 21143—2014是參照ISO 12135—2002制定的，按照該思路對上述缺陷重新評定，根據以上計算公式，J積分的變化不會影響Lr的結果，卻導致評定用斷裂韌度KP的變化，進而影響斷裂比參量Kr的結果。關鵬濤等按ASTM和ISO標準斷裂韌度測試方法得到Q345R的J積分分別為［5］：235.29 kJ/m2和179.37 kJ/m2。評定用斷裂韌度KP與斷裂比參量Kr的數值見表2。

表2 評定用的各參數值

由表2可知，根據兩個標準獲得的J積分，最終評定的數據點均在非安全區域內，對評定結果無影響。但兩者仍有差異，按ISO標準獲得的斷裂比參量Kr高于按ASTM標準獲得的Kr，兩者相差13%左右，即按ISO標準獲得的J積分評定結果是偏于保守的。

圖4 兩種斷裂韌度值對應的斷裂比參量K r與缺陷深度a的關系

圖5 Q345R應力應變曲線與理想彈塑性模型對比

4 結論

4.1 按GB/T 19624—2019安全評定緩沖罐缺陷時，數據點落在非安全區域內，該缺陷不滿足壓力容器的安全使用要求。

4.2 按ISO標準獲得的斷裂比參量Kr高于按ASTM標準獲得的Kr，按ISO標準獲得的J積分評定結果偏于保守。

4.4 兩種斷裂韌度（J積分）測試標準的差異性對評定結果在一定的缺陷尺寸范圍內有影響，但對超出該范圍的評定結果不會產生影響。