“压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估方法研究”概况

俞 跃 张 硕

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

“压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估方法研究”概况

俞 跃 张 硕

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

“压力容器极限与安定性分析及体积型缺陷安全评估方法研究”是“八五”国家重点科技攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”的主要成果之一，本文以该成果的“国家科学技术奖励推荐书”为基础，对成果及其背景与应用情况做一概述。

压力容器 安全评定 体积型缺陷 塑性极限分析 安定性分析

1 立项背景

1 )上世纪90年代初，我国有固定式压力容器106万台，各类气瓶4000多万只，遍布于各行各业。由于历史、技术和管理上的原因，这些设备中相当一部分质量低劣、缺陷严重，加上长期以来治理技术落后，超期服役、带“病”运行，爆炸事故和重大事故十分严重。据1987年的不完全统计，我国近10年间发生的锅炉压力容器爆炸事故4000起，重大事故约2万起，伤亡7千人，直接与间接经济损失100亿元，万台设备重大事故率是发达国家100倍。鉴于我国当时的经济实力，不可能对这些设备全部予以报废更新或彻底修复。显然，根本出路在于从基本国情出发，紧密结合工程生产实际，依靠科学技术，进行带缺陷压力容器安全评估技术研究，提出科学、经济、有效、适用的事故预防工程化技术和方法。

2 )凹坑、气孔、夹渣等体积型缺陷的存在，不仅造成应力集中，而且可能由于疲劳载荷作用而萌生裂纹，威胁压力容器的安全运行，甚至诱发产生压力容器的破坏事故。由于缺少系统的理论分析和足够的实验研究结果作为依据，国内外现有标准、规范对体积型缺陷的容限值规定总体来看偏于保守，在有些情况下却显得安全裕度不足。以凹坑为例，劳动部《在役压力容器检验和缺陷处理若干问题的参考意见》和《在用压力容器检验规程》规定，在役压力容器表面缺陷均应打磨消除，打磨后产生的凹坑，侧面斜度不大于1：4，对于腐蚀凹坑，最大深度不超过壁厚的1/5。事实上，不必要的补焊返修不仅造成大量人、财、物的浪费（尤其给不允许动用明火的现场工作带来相当大的难度，甚至影响工期，造成更大损失），而且可能产生更为严重的焊接缺陷。鉴于国内目前状况，对上述规程、标准中有关体积型缺陷的判据、评估方法、处理方法等关键、难点技术作系统研究、深入探讨，提出更科学、安全、可行的判据和方法，使之即保证在役压力容器安全运行，又大大减少不必要的返修量，不但是安全生产的要求，也是经济建设和社会发展的需要。

3 )结构极限与安定性分析是塑性分析的一个重要分支，与常规计算（弹性设计）相比，极限与安定性分析更能反映结构性态的本质，进一步发挥材料的潜力。然而，由于理论分析上的困难，特别是理论研究与工程实际的脱节，国内在此方面的研究尚不多见(特别是应用研究），远远满足不了工程需要。即使在工业发达国家，也存在类似问题，因此，研究适用于一般承压装备、切实可行的塑性极限与安定性分析计算方法，使之直接应用于锅炉压力容器的设计、检验与安全评估，并采用理论分析与实验验证相结合的方法，对典型的锅炉压力容器体积型缺陷和结构进行系统的极限与安定分析，探求比较先进、经济、有效、适用的工程化评估方法，不但意义重大，而且十分迫切。

2 总体思路

紧密围绕总体目标，采用系统工程的概念，以在役压力容器体积型缺陷状况的数据采集分析为先导，压力容器极限与安定性分析一般算法研究为手段，体积型缺陷静强度安全评估方法研究为核心，体积型缺陷疲劳强度安全评定新方法的探索为触角，集中组织国内优势力量，联合攻关。

应用塑性极限和安定性理论，首先重点解决其工程实际应用中计算工作量巨大的难题，研究提出高效计算方法；然后针对带缺陷压力容器的弹性应力集中、失效摸式和塑性极限与安定性载荷进行全面、深入、系统和复杂的计算、分析与研究；在此基础上通过科学化简处理，给出实用的工程化评估方法。其研究过程十分复杂、严谨、量大，而取得的研究成果——工程评估方法简单、实用、经济、安全。成果的研究和推广始终由科研院所、大专院校、政府主管部门和企业紧密联合进行，优势互补，成效显著。

3 主要成果

本成果在压力容器极限与安定性数值计算方法、含凹坑/气孔/夹渣压力容器缺陷表征、失效模式的建立、极限与安定性分析及安全评定方法研究等方面取得了突破性进展，研究成果成果具有开拓性、先进性、经济性和实用性等突出特点。经权威专家鉴定，成果达到国际领先水平。

1 )提出了结构塑性极限与安定性上、下限分析的降维叠代法、无搜索直接叠代法和温度参数法等三种数值计算方法。这些方法各有创新，其共同特点是运算速度快、收敛性与稳定性好、精度可靠，大幅度减小了计算规模，突破了复杂结构极限与安定性分析计算量过大的限制，解题速度是现有计算方法的4～5倍，为一般承压结构（装备）的极限分析提供了通用、高效和可能的计算工具。

4 )通过含气孔、夹渣压力容器疲劳试验研究，探索采用模糊集理论和人工神经网络等现代工具进行处理的可能性，建立了适用于含焊缝缺陷容器疲劳评定的模糊疲劳评定图，并在此基础上进一步编制了相应的专家系统。

4 应用情况

应用极限与安定性理论对带凹坑、气孔、夹渣的压力容器进行如此全面、系统、深入的分析计算和实验测试研究，在国内外尚属首次。国内外现有压力容器安全评定规范均将凹坑、气孔、夹渣等体积型缺陷当作投影面上的裂纹进行断裂评定，脱离了体积型缺陷的塑性失稳失效模式，不但评定结果过于保守（对允许存在缺陷的要求过于苛刻），而且计算过程十分复杂。本研究成果以及最终提出的凹坑、气孔、夹渣缺陷塑性失稳评定方法从根本上解决了这一难题，填补了空白，很好地解决了安全性与经济性的辩证统一关系。

1998～2000年期间，本成果在石油、化工、化肥和冶金等500多家企业的6000多台设备中应用，“解放”了一大批超标缺陷，避免了大量不必要的设备报废、返修和相应的停产损失，已取得证明的经济效益就达5亿多元。

本成果全部纳入GB/T 19624-2004 在用含缺陷压力容器安全评定。

本成果获得2001年度国家科学技术进步二奖。

获奖单位：中国特种设备检测研究院、清华大学工程力学系、合肥通用机械研究院、南京化工大学化工机械研究所、天津大学机械系

获奖人员：陈 钢、徐秉业、陈学东、沈士民、岑章志、杨铁成、刘应华、石智豪、霍立兴、谢铁军等

Instruction of “Investigation of Methods for Safety Assessment of Pressure Vessel with Volume Defects Based on Limit and Shakedown Analysis”

Yu Yue Zhang Shuo
(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029)

“Investigation of Methods for Safety Assessment of Pressure Vessel with Volume Defects Based on Limit and Shakedown Analysis” is a major achievement of an “Eighth Five-Year” national key technologies R&D program named “research of on-service boiler and pressure vessel safety assessment and explosion prevention technology”.This article summarizes the background and application of this achievement based on its“recommendation of state science and technology prizes”.

Pressure Vessel Safety Assessment Volume Defects Limit and Shakedown Analysis

X923

B

1673-257X(2015)06-01-02

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.001

俞跃（1988 ～ )，男，硕士，从事特种设备科研管理、无损检测工作。

2015-05-15）