国外压力容器和工业结构缺陷评定规范的新进展二通用版Word文件下载.docx
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2.1失效评定曲线三种选择的变化
(1)R6-op.1的原失效评定曲线被SINTAP的第0级的曲线取代,即由:
(30)
改为:
(1)
以保证在低处与R6-op.2曲线一致,对有屈服平台材料Lrmax取等于1。
(2)R6-op.2改为有三种曲线。
原R6-op.2曲线仍保留,被称为材料特征的选择2曲线(式23),用于已知材料应力应变关系数据时建立选择2曲线。
在不知道材料应力应变关系数据时,采用SINTAP第1级(基本级)失效评定曲线的研究成果,给出的两种可供选择的近似曲线,分别用于无屈服平台的连续屈服材料和有屈服平台的非连续屈服材料,只要求知道材料的屈服强度、抗拉强度和杨式模量,不需要知道应力应变关系曲线。
一种是连续屈服(即无屈服平台)材料用的近似选择2曲线。
在Lr1但1)还是欠匹配(M1但1)还是欠匹配(M<
1),FyM/FyB值(即不匹配焊接接头的塑性极限载荷与纯母材的塑性极限载荷之比)总是处于1至M之间。
因而M1的过匹配时取FyM等于FyB,总是保守的。
在过匹配时,(焊缝厚/剩余韧带)越大,或者(a/w)越小,焊缝不匹配对极限载荷(FyM/FyB)的影响越低。
如果裂纹靠近熔合线,FyM值非常接近FyB的值。
在欠匹配时(a/w)值不影响FyM,尤其在(焊缝厚/剩余韧带)值较大的时候。
2.8持续载荷(sustainedlocal)
对延性材料,即使温度低于蠕变范围也可能发生与时间有关的塑性变形,因而受持续载荷结构可能在应力水平低于其在单调加载和位移加载时的塑性失效载荷下发生断裂。
然而通常仅发现在持续载荷接近单调加载的塑性极限载荷时才发生失效。
但在较低载荷下可能发生有限裂纹扩展,导致结构承载能力的降低。
试件试验显示,奥氏体钢和铁素体钢在持续载荷达到或超过全面屈服(即Lr=1)时才可能发生与时间有关的断裂,这些试验是铁素体钢在室温和70℃进行的。
因而在评定时当Lr<
1时不必要考虑持续载荷。
316钢在室温下试验表明,Lr<
0.65持续时间小于100h时持续载荷效应可略而不计,在再持续1h以后相对因子0.65的值才很慢地减小。
铁素体钢当Lr<
0.9时也可不考虑。
本规程给出了考虑持续载荷效应的评定方法,其原理是考虑持续时间内塑性应变积累对Lr和Kr的影响,即对评定点位置的影响,仍然用失效评定图进行断裂评定和塑性失效评定。
一般采用选择1曲线,也可采用其他高级的失效评定曲线。
根据实验认为持续载荷效应对Lrmax值没有影响。
评定的过程是先选择持续时间th内允许的裂纹扩展量△a0,当然△a0应该小于断裂实效的裂纹扩展量△af=af-a0(af为断裂临界尺寸),并有足够的安全系数。
定义a1=a0+△a0,材料的断裂韧度也应该是相应于△a0的断裂韧度Kmat(△a0)。
按a1及
计算Lr。
由Lr得到
值,再确定参考应变
,它是参考应力
和持续时间的函数,可由评定温度下的恒应力蠕变曲线或等时的单向应力应变数据获得。
然后计算Kr=K1(a)/Kmat(Δa0)和评定点的纵坐标
。
将(Lr,Ktr)点在失效评定图中完成评定工作。
3、英国标准BSIPD6493的修改版--BS7910金属结构中缺陷验收评定方法导则
PD6493:
1991已与PD6539:
1994(高温评定方法)[15]合并,根据它们近十年来研究成果,包括SINTAP的欧洲统一安全评定方法的研究成果,于2000年发表了修正版,称为BS7910:
1999,规范名称改为"
金属结构中缺陷验收评定方法导则"
。
3.1断裂评定方法的变化
仍然是三级评定。
原来的初级评定内容基本不变,但改称简化评定方法,采用失效评定图法。
而原PD6493中的COD设计曲线法被列入BS7910的附录N,COD设计曲线的地位进一步下降。
第2级正常评定法经历了一个曲折的修改过程。
原PD6493:
1991版的第2级正常评定法为老R6(第2版)的COD窄条区模型失效评定曲线。
1995年及1997年的修改草稿中改为三种选择,第一种为1991版的窄条区模型失效评定曲线,用于
的低硬化材料,第二种为R6第3版的OP.1曲线,用于
的高硬化材料,第三种为R6第3版的OP.2曲线,反映出PD6493全盘R6化的过程。
由于近年SINTAP的成功实现了欧洲安全评定方法的统一化,在2000年BS7910:
1999颁布时,和R6第4版一样均采用了SINTAP的统一成果,COD窄条区模型的失效评定曲线也取消了。
BS7910的第2级正常评定的失效评定曲线改为两种,即2A级和2B级。
2B级曲线与原PD6493:
1991版的第3级评定曲线相同,即R6第3版的OP.2曲线(式23)。
2A级曲线采用SINTAP的基本级评定曲线(参见1.1.2节)。
如果应力应变关系曲线已知可用2B级,否则用2A级。
对有屈服平台的非连续屈服材料或者不能证实没有屈服平台,在使用2A级失效评定图时Lrmax应取为1.0,否则只有采用2B级的曲线。
BS7910第3级(撕裂失稳评定)仍然保留PD6493:
1991中的3A级和3B级不变,在已知材料应力应变关系时用3A,否则用3B。
BS7910还增加了一个3C级,其实就是采用了R6第3版OP.3失效评定曲线。
3.2疲劳评定的变化
BS7910的疲劳评定方法基本上与原PD6493:
1991的相同,仅作了少量修改。
PD6493的特色可能是它的疲劳评定了,尤其是质量等级评定法。
修订后的主要变化是推荐了新的疲劳裂纹扩展律。
采用了基于近年来大量钢材在空气及海水中疲劳裂纹扩展试验数据取得的更为精确的两段Paris关系式和应力比R的修正法等。
特别是考虑环境的影响,例如给出了在海水环境中有阴极保护和无阴极保护时的新推荐方法,在较高温度下的疲劳裂纹扩展等。
为了方便,同时也给出了新的、简化的、保守的(包络线)单段Paris关系,实验的应力比为R≥0.5,以给出保守的焊接接头裂纹疲劳扩展分析结果,新的铁素体钢在空气中的疲劳裂纹扩展律与PD6493时的相比,扩展速率要略高一些。
3.3BS7910的附录
BS7910B包含了21个附录,很多来自R6和SINTAP,因而这里不作进一步的介绍。
回页首4、美国石油学会标准API579推荐用于合乎使用的实施办法的概貌和最新进展
近年来,美国结构完整性评定技术也有很大发展,在规范中最引人注目的就是已出版的API579(推荐用于合乎使用的实施方法)和正在准备的API580:
2000"
Recommendedpracticeforrisk-baseinspection"
前面介绍的SINTAP、R6、BS790的工业背景主要是电站(包括核电)及海洋石油平台,它们的发展主要反映了缺陷的断裂评定技术(包括塑性失效评定)和疲劳评定技术的发展。
API579的工业背景是石油化工承压设备,其特点是更多反映了石油化工在役设备安全评估的需要。
美国初期的承压设备标准主要是关于新设备的设计、制造、检验的规则,并不提及在役设备的退化和使用中发现的新生缺陷和原始制造缺陷的处理问题。
后来制定了一些在役检验规范,如API510(压力容器检验规范),API570(压力管道检验规范)和API653(储罐检验规范),这些规范给出了有关在役设备检验、修理、更换,重新确定额定工作能力或改造的规划,但实践中发现仍然存在着不少不能解决的问题。
API579就是为此组织制定的,以保障老设备继续工作的安全;
以提供良好的合乎使用的评定方法;
以保证给出坚实可靠的寿命预测;
以帮助在用设备的优化维修及操作;
以保证旧设备有效利用提高经济服务的期限。
这一规程和即将发表的API580的结合将能提供风险评估、确定检验的优先次序和维修计划。
API579与其它标准不同之处是不仅包括在役设备缺陷安全评估,还在很广范围内给出在役设备及其材料的退化损伤的安全评估方法。
前者的技术和BS7910、R6都相差不大,所以这里不再详述,但有很多内容是其他标准未讨论到的,这些内容对我们石油化工承压设备的工作者来说十分重要和有益。
下面先列出某些章节的内容。
第4章:
均匀腐蚀的评定
第5章:
局部减薄及槽状缺陷的评定
第6章:
点蚀的评定
第7章:
鼓泡及分层的评定
第10章:
高温蠕变操作元件的评定
第11章:
火灾对设备造成损伤的评定
4.1局部减薄及槽形凹坑的评定
包括评定技术及验收准则和剩余寿命评定的两类技术。
评定技术及验收准则又分为3级。
级别1的评定是仅考虑内压载荷的设备局部减薄的评定,只要求凹坑表面长,宽,深来表征缺陷尺寸。
级别2评定用于凹坑在壁厚方向的尺寸(即深度)变化很大时的评定,缺陷用深度变化形状来表征,可以考虑更一般的载荷,例如筒壳上净截面弯矩,还可以用于接管区凹坑的评估。
级别3用于更复杂区域的凹坑评定,一般都要求作详细的有限元分析。
第5章长达39页,我国学者在这一领域已经做了不少工作,但API的工作值得作为我们今后继续研究时的参考。
4.2点蚀评定
点蚀可能是非常分散的,也可能是集中在一个局部地区,如果单个凹坑就属于第5章的任务了。
点蚀坑几何形状可能十分复杂,精确测量有时是困难的,但如果采用第2级评定法时又是必要的。
API579提供了三级评定法,第1级只适用于韧性材料,如果由于温度或环境可能使材料脆化就要用第2级评定方法了。
第1级和第2级只适用于承受内压的球、筒、锥等形状壳体上的点蚀评定。
接管和管件等形状复杂的壳体上点蚀就必须要采用第3级评定方法。
4.3鼓泡及分层缺陷的评定
本方法适用于氢致鼓泡承压元件的评定。
湿H2S及HF在低温下由于原子氢的侵入钢内,在夹杂物处又结合成分子氢,因不可能再渗出而造成局部区的高压引起材料鼓泡分层。
有时候鼓泡的周边裂纹会向壁厚方向扩展,特别是当鼓泡处于接近焊缝处,因而这是石油化工设备经常会遇到的一个问题。
由超声波测得板中的分层除非证明是氢积累造成的不应视为鼓泡,如果其不平行于钢板表面应按面型缺陷进行断裂评定。
如果它是平行于钢板表面也可以采用本方法进行评定。
API579鼓泡评定方法也分成3级,各自适用范围基本上与第6章的点蚀评定相似。
4.4火灾引起设备损伤的评定
遭受到火灾极高温加热的压力容器、管道和储罐可能外表看来结构损伤了,但力学性能没有明显的退化,可能还能够继续使用。
所以必要建立这种问题的合乎使用的评定方法。
API579第10章将火灾现场三维空间划分为6个区,分别为Ⅰ区(室温区)、Ⅱ区(66℃以下烟及消防水染区)、Ⅲ区(66-200℃的低热暴露区)、Ⅳ区(200-427℃的中热暴露区)、Ⅴ区(427-732℃的接触火焰的高热暴露区)、Ⅵ区(732℃以上的极热区、火源区)。
区域的划分有利于判定灾区那些设备不需要评定,那些设备要进行评定和如何进行评定都有重要的指导意义。
钢材表面在火灾中不同温度下有不同颜色,不同燃料在空气中燃烧时有不同颜色的烟雾,目击者的记录和当场摄像是很重要的原始资料。
各种化学品、燃料和很多材料都有它们不同的燃点、熔点,在不同温度区材料的力学性能(硬度和强度)有它们的变化规律,金属氧化皮的形貌也与温度有关,根据火灾时现场摄相和灾后现场的情况勘察,按API579给出的方法和提供的大量有关上述信息与温度关系的资料(图及表)就可以作出各个设备所在位置应属于什么区。
API579提供了三级评定方法。
第1级实际上是免于评定的标准。
API579标准给出了各种材料制设备在那些温度区是属于第1级的,如果属于第1级就可以免于评定了。
例如碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢设备一般在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区时都可免于评定。
但热处理的调质钢只有在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的才可免于评定。
不免于评定的,即第1级评定不通过的,应按第2级评定方法进行评定。
这样做可以大大缩小了应该予以详细评定设备的数量,例如炼油厂有一个常压精馏塔,查其外保温的镀锌铁皮表面镀锌层完好,由于锌的熔点是420℃,在温度超过420℃时锌必然会流下来或者被气化,既然镀锌层完好所以该处不可能属于第Ⅴ区,因而可免于评定。
第2级评定较复杂一些,材料表面硬度,现场金相表面覆膜,磁粉或渗透探伤,外形尺寸变形的宏观检测都将采用。
API579给出了碳钢材料在不同火灾温度下暴露后晶粒尺寸变化规律、奥氏体不锈钢的敏感性资料(即不同含碳量的奥氏体钢形成碳化铬在晶界中沉析的温度时间条件曲线图,由全相覆膜是否发现这一特别金相组织可起温度指示器的作用)和第2级的评定方法。
一般评定过程是:
根据现场实测硬度估算材料强度后按API579规定的公式确定实际材料许用应力,然后用常规的简单公式进行强度校核。
如果发现有裂纹状缺陷、局部减薄等缺陷时还应该按不同的缺陷评定方法进行评定。
在评定中还应考虑在火焰中表面壳体和内件间的巨大温差是否引起了裂纹;
有时还需要考虑材料的蠕变损伤,但只要高温时间不长可以免予考虑。
第3级评定是用于第2级评定法无法执行或者通不过的时候。
前者,如结构已严重变形或者在结构不连续部位壳体畸变,常规设计用的强度计算公式已不适用,就只好采用有限元计算和应力分类的分析设计方法进行强度校核的第3级评定了。
由于第2级评定时材料强度是硬度间接核算方法得到的,所以所用的许用应力是很保守的,如果是由于这个原因而没有通过第2级的评定的话,采用第3级的方法,由现场金相或直接取样进行力学性能实测就有可能通过。
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