容器的防脆斷設計及缺陷評定

容器的防脆斷設計及缺陷評定機研1302李嘉平2013200643一、容器的低應力脆斷問題現在狀況，一些容器在水壓試驗時就發生破壞，還有一些是在運行多年后在工作壓力下發生破壞。

而這些破壞大體具有一些特點：1、破壞壓力基本上低于容器的整體屈服壓力，更明顯低于理論計算的爆破壓力，因而屬于低應力破壞；2、破壞時可能只沿焊縫裂開一條不太寬的縫，也可能裂成一些碎片發出，，呈現脆性破壞的特征；

因此習慣上稱這種破壞為“低應力脆斷”。

一、容器的低應力脆斷問題

壓力容器發生低應力脆斷的原因：主要是因為焊縫中存在明顯的宏觀缺陷。

缺陷的一般來源：1、制造中形成的焊接缺陷；2、使用中形成的裂紋。

由此可見，裂紋是導致壓力容器發生低應力脆斷的重要原因。一、容器的低應力脆斷問題低應力脆斷不僅在壓力容器上發生，在船只、橋梁及其他焊接結構上也大量發生低應力脆斷事故。引起重視20世紀70年代，相繼出現許多規范在設計時考慮，制定出“防脆斷設計”規范針對在役容器的缺陷如何做安全評價的“缺陷評定”二、斷裂力學的基本理論斷裂力學所要解決的主要問題：

首先是研究裂紋尖端附近的高度集中地應力場和應變場；

然后，導出裂紋體在受載條件下裂紋附近應力應變場的特征量，同時與材料某種性能參量相關聯；

最后，建立裂紋體斷裂的判別條件。

二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論帶裂紋的結構可區分為三種基本載荷的加載形式：張開型、剪切型和撕裂型。

最常見的是Ⅰ型即張開型裂紋。

線彈性斷裂理論是假定材料只符合彈性行為（胡克定律），不會出現屈服現象。其中最重要的是應力強度因子理論。二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論2、斷裂韌性當裂紋尺寸一定時，KⅠ值隨載荷應力的增大而增大。當KⅠ增大到某一程度時，裂紋開裂，進入隨應力增大而裂紋繼續擴展的穩定擴展階段，最終將發生突然地不可控制的快速斷裂，即失穩斷裂。

實驗證明材料均由自身發生裂紋失穩斷裂的KⅠ最低值，稱為“臨界應力強度因子KⅠc”。它是材料抗裂紋斷裂韌性的反映，也稱為材料的“斷裂韌性”二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論材料的KⅠc值越高說明抗斷裂的韌性越好，越不容易發生低應力斷裂。因此斷裂韌性便成為衡量材料韌性與脆性的重要力學性能新指標。

注意KⅠ和KⅠc的區別，前者是裂紋尖端附應力強度參量，與材料無關，而后者是材料的性能。

但當KⅠ=KⅠc時意味著要發生失穩斷裂。二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論由上式可知，材料的斷裂韌性KⅠc越高，發生脆斷的應力也越高，或發生脆斷的裂紋尺寸可越大。一般說材料強度級別越高，則KⅠc值越低，發生脆斷的可能性越大。

必要時可選用強度低一些的材料，以保證材料的韌性較好，從而提高防脆斷的安全性。（也可用熱處理）二、斷裂力學的基本理論

（一）線彈性斷裂理論4、線彈性斷裂理論的適用范圍只適合于裂紋尖端附近很小區域的近似解。

塑性區的尺寸大體上只是裂紋半長a的1/10，符合這個條件的稱為“小范圍屈服”。適用范圍二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論（1）D-M模型解

對于無限板中長為2a的穿透裂紋，在單向均勻受拉及平面應力條件下，COD解可借助D-M模型求解。D-M模型：①假設裂紋尖端的塑性區為窄條狀，材料符合理想塑性規律；②假定條狀塑性區挖去而代之以屈服應力均布作用在塑性區邊界上，以代替塑性區的作用使裂紋閉合。這樣2a的裂紋變成了2c的假定裂紋。二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

二、斷裂力學的基本理論

（二）彈塑性斷裂理論

三、壓力容器的防脆斷設計方法

三、壓力容器的防脆斷設計方法

三、壓力容器的防脆斷設計方法

三、壓力容器的防脆斷設計方法

四、在役容器的缺陷評定按容器制造標準一般不許存在裂紋，但對在役適用的容器一旦發現裂紋，若按質量控制標準立即報廢或動火修補焊接，往往帶來巨大的直接或者間接地經濟損失，修補不當反而增加新的潛在危險。只有采用斷裂力學方法作安全評定，既保證安全又可獲得很大經濟效益。根據探傷實測到的缺陷形狀與尺寸來評定是否可繼續使用，或降壓使用、修補后使用、報廢等。四、在役容器的缺陷評定

（一）BSIPD6493的評定方法

四、在役容器的缺陷評定

（一）BSIPD6493的評定方法

四、在役容器的缺陷評定

（一）BSIPD6493的評定方法

四、在役容器的缺陷評定

（一）BSIPD6493的評定方法

四、在役容器的缺陷評定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷評定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷評定

（二）CVDA方法

四、在役容器的缺陷評定

（二）CVDA方法（4）缺陷的規則化處理對于非穿透性裂紋一般用外接矩形作為橢圓形埋藏裂紋或半橢圓表面裂紋的界限。當表面裂紋的深度a>0.7t時應視為穿透裂紋來評定。規則化處理也包括缺陷群的處理。（5）斷裂韌性選取斷裂韌性值時，應結合實際情況，充分考慮材料化學成分、冶金和工藝狀態等因素對斷裂韌性的影響。四、在役容器的缺陷評定

（二）CVDA方法（6）評定的一般程序用無損檢測或用其他方法求得缺陷幾何和計算尺寸；確定缺陷部位（在缺陷不存在時）的應力和應變；確定缺陷部位有關材料性能的數據；計算最大允許缺陷尺寸；評定缺陷是否允許或是否需要返修。

缺陷評定工作涉及到權威、經驗和體制。四、在役容器的缺陷評定

（三）缺陷評定規范的發展進入20世紀80年代之后，J積分以其理論的嚴密性而確立了地位。

美國電力研究院

實現了J積分計算的工程化另一方面，英國中央電力局在20世紀70年代就倡導發展了失效評定圖。最后導出以J積分理論為基礎的失效評定圖（J-FAD）,這一成果體現在英國伯克萊核電研究所編制的R6第三版中。四、在役容器的缺陷評定

（三）缺陷評定規范的發展在英國R6規程的失效評定圖中，縱坐標Kr越接近1則表示越接近發生脆斷。橫坐標Lr越接近1則表示已很接近極限載荷。評定時只需要按規程計算出Kr和Lr值，即可在圖中確定出評定點的位置。

落在曲線下方表示不會發生失效。

評定點離原點越近越安全，越靠近縱軸則預示越易發生脆斷失效，而靠橫坐標越近，預示結構越易發生塑性失穩失效。四、在役