对含缺陷压力容器的应力分析及安全性评价

王朝明

（泸州市特种设备监督检验所，四川 泸州 646000）

1 含缺陷压力容器应力分析

压力容器是工业生产中常用的设备，但是由于受到使用环境的影响，不可避免的会产生一些裂纹或者不同程度的缺陷，带着这些缺陷长期在恶劣的工作条件下使用就非常容易产生破坏性的安全事故，所以需要进行必要的应力分析以及安全性评价。在含缺陷压力容器的应力分析中，主要是研究应力沿容器壁的分布规律以及大小，即均匀分布、线性分布以及非线性分布，并且通过实验得到含缺陷压力容器的一次膜应力、一次弯曲应力以及二次应力和由局部或者总体不连续性或者错边造成的一次应力的放大倍数等相关数据资料，然后利用应力分析软件输入这些数据资料对含缺陷压力容器进行应力分析。含缺陷压力容器通过建立有限元模型，定义材料的属性以及约束条件，并且施加载荷求解，最后对数据进行处理得到压力容器的应力分析结果。用数值模拟的方法进行含缺陷压力容器应力参数的计算，还需要输入材料的结构关系、弹性模量以及泊松比等参数，此外还应该考虑各种可能的荷载，并根据具体失效模式的安全评价需要以及相应的评价方法，采用成熟、可靠的方法计算含缺陷压力容器应力分析中所需的参数。

2 含缺陷压力容器安全性评价

含缺陷压力容器安全性评价所需要的基础数据包括缺陷的类型、尺寸以及位置、结构和焊缝的几何形状和尺寸；材料的化学成分、力学和断裂韧度性能数据，由载荷引起的应力以及残余应力。其中超标缺陷是指超过压力容器制造或者验收标准及其法规、规章所规定的允许尺寸的缺陷。含缺陷压力容器的安全评价要根据国家颁布的《在用含缺陷压力容器安全评定》，依据合乎使用，最弱环的原则，用更加客观、科学的方法判断在用含缺陷压力容器在规定的使用工况条件下能否继续安全使用。在采用《在用含缺陷压力容器安全评定》进行含缺陷压力容器安全性评价除了应该遵循相应的规定外，还应该遵守国家有关部门颁布的相关法律法规和规章制度。以下就从含缺陷压力容器的断裂失效、塑性失效以及疲劳失效三个方面分析安全评价的方法：

2.1 断裂失效评价

含缺陷压力容器断裂评定是只采用断裂力学分析的方法，评价含缺陷压力容器和结构能否排除断裂失效的安全评定。进行断裂失效评价主要包括平面缺陷、非平面缺陷以及形状缺陷这三大类型。在具体评价时，按照《在用含缺陷压力容器安全评定》中的有关规定对实测的平面缺陷进行规则化表征处理，将缺陷表征为规则的裂纹状表面缺陷、埋藏缺陷或者穿透缺陷，表征后含缺陷压力容器的裂纹形状为椭圆形、圆形、半椭圆形或者矩形。表征裂纹尺寸应该根据具体缺陷情况向缺陷外接矩形之高和长来确定。对于穿透裂纹其长度为半长，二维缺陷为椭圆化后短轴长度的一半，即表面裂纹的深度、埋藏裂纹自身高度的一半或者角裂纹沿接管壁的深度，缺陷外接矩形之长边应该与邻近的壳体表面平行。

2.2 塑性失效评价

含缺陷压力容器塑性失效评定是指采用塑性极限分析的方法，即使用塑性极限载荷以及塑性屈服载荷来评价含缺陷压力容器和结构能否排除塑性失效的安全评定。其中含缺陷压力容器的塑性极限载荷是按照理想塑性对材料进行假设，以实际材料的屈服强度和抗拉强度的平均值作为材料的流变应力进行计算，所得到的结果即为含缺陷压力容器所能承受的最大载荷。塑性屈服载荷同样是按照理想塑性对材料进行假设，以实际材料屈服强度进行计算，所得到的结果即为含缺陷压力容器所能承受的最大载荷。

2.3 疲劳失效评价

含缺陷压力容器疲劳失效评定是指评价含缺陷压力容器和结构在预期疲劳载荷的作用下，在所要求的继续使用期内能否排除疲劳失效的安全评定。含缺陷压力容器的疲劳评价，首先依据疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子变化幅度的关系，确定在规定的循环周期内疲劳裂纹的扩展量和最终尺寸，然后根据所给出的判别条件和方法，来判断该平面缺陷是否会发生疲劳裂纹。含缺陷压力容器的缺陷疲劳评价的具体步骤包括缺陷的表征、应力变化范围的确定，材料性能数据的确定、疲劳裂纹的计算，免于疲劳评定的判别、疲劳裂纹扩展量的计算、允许裂纹尺寸的计算和安全性评价。

含缺陷压力容器在安全性评价完成以后，相关的评价单位应该依据国家颁布的法律法规以及《在用含缺陷压力容器安全评定》中的有关规定，及时整理出一套系统完备的安全性评价报告，在报告中要有含缺陷压力容器的设计、制造、安装以及使用等基本情况以及缺陷检验数据、应力状况、测试分析结果，并且要明确指出含缺陷压力容器的评价结论以及后续使用过程中的注意事项。含缺陷压力容器安全性评价方法的选择应该以避免在规定工况下安全评价期内发生各种失效模式而导致事故的可能为原则，并且每一种评价方法只能针对相应的失效模式进行评价。总之只有对各种可能引起含缺陷压力容器失效的模式进行科学合理判断或者评价以后，才能判断含缺陷压力容器在规定的使用工况条件下能否继续安全使用。

结束语

综上所述，含缺陷压力容器应力分析及安全性评价关系到设备在工业生产的安全和质量。对于出现裂纹和缺陷的压力容器需要根据同类型的压力容器或者机构的应力分析以及安全性评价的标准和经验来判断其失效模式。评价的含缺陷压力容器或者结构的主体结构和检验资料、使用工况以及对缺陷的理论检验和物理诊断结果，并且对可能存在的腐蚀条件、应力分析、高温环境等情况对含缺陷压力容器带来的影响进行综合评定，更加客观的确定含缺陷压力容器在规定的使用工况条件下能否继续安全使用。

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