含矩形缺陷圓柱形管的剩余強(qiáng)度評(píng)定方法

唐 毅 王 琪 孫海濤 李平仁 喬 維 桂 春

1（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 深圳 518001）3（核與輻射安全中心 北京 100020）4（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 深圳 518001）

含矩形缺陷圓柱形管的剩余強(qiáng)度評(píng)定方法

唐 毅1王 琪2孫海濤3李平仁4喬 維1桂 春1

1（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司 武漢 430223）2（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 深圳 518001）3（核與輻射安全中心 北京 100020）4（大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 深圳 518001）

磨損是蒸汽發(fā)生器傳熱管一種常見(jiàn)的缺陷類型，磨損缺陷是影響傳熱管安全性的重要因素之一，需要根據(jù)管材的具體結(jié)構(gòu)尺寸，制定適用的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)方法。為了確定含矩形缺陷蒸汽發(fā)生器傳熱管的剩余強(qiáng)度，本文針對(duì)含矩形缺陷的傳熱管試樣進(jìn)行了內(nèi)壓爆破試驗(yàn)，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)了NB20013、BS7910、API579和Janelle規(guī)定的含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件中剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF計(jì)算式的精度。分析表明：當(dāng)缺陷深度比a/t≥70%時(shí)，按以上方法評(píng)價(jià)含缺陷管的安全性時(shí)都可能偏于不保守。最后，基于BS7910建立了適用于單個(gè)矩形缺陷改進(jìn)型RSF計(jì)算式，其計(jì)算值既具有很高的計(jì)算精度，又具有滿意的可靠性。

剩余強(qiáng)度，缺陷，圓柱形管，管道，評(píng)定方法

承壓設(shè)備和管道在使用過(guò)程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)設(shè)備老化和降質(zhì)，其中局部減薄缺陷是一種常見(jiàn)的體積型缺陷，為了確保含缺陷承壓設(shè)備的安全運(yùn)行以及考慮到維修更換的成本，需要對(duì)含局部減薄缺陷部件安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。自20世紀(jì)60年代工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的合理使用(Fitness-For-Service，F(xiàn)FS)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，形成了許多FFS評(píng)價(jià)程序，如ASME B31G、API 579、BS 7910等。近年來(lái)，Janelle等[1]對(duì)上述幾種標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)定方法進(jìn)行研究分析，對(duì)縱向缺陷評(píng)定方法采用失效壓力比給出了評(píng)價(jià)，并且提出了一種新的評(píng)定方法(以下簡(jiǎn)稱Janelle方法)。從評(píng)價(jià)結(jié)果看出：BS 7910、API 579和Janelle方法的評(píng)定精度和可靠性較高，值得關(guān)注和研究。

在對(duì)Ф16×1.5不銹鋼蒸汽發(fā)生器傳熱管進(jìn)行了一系列的內(nèi)壓爆破試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)[2]中Inconel690試驗(yàn)管爆破試驗(yàn)結(jié)果，本文分別采用BS 7910、API 579和Janelle方法中1級(jí)評(píng)定的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF計(jì)算式，計(jì)算縱向含矩形面積缺陷承壓管的RSF值，檢驗(yàn)三種RSF計(jì)算式的精度，對(duì)三種評(píng)定方法給出了評(píng)價(jià)。同時(shí)，以BS 7910單個(gè)矩形凹坑的剩余強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算式RSF為基礎(chǔ)，對(duì)其鼓脹系數(shù)作了重要修正，建立了改進(jìn)的RSFLT計(jì)算式。

1 含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的剩余強(qiáng)度系數(shù)

1.1剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF

含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的失效為塑性失效，其失效壓力Pf可以是構(gòu)件屈服極限載荷Pl、爆破壓力(Pb)，或兩者之間的載荷。含局部減薄缺陷承壓構(gòu)件的失效壓力Pf采用式(1)計(jì)算：

式中，Pf0是無(wú)缺陷承壓構(gòu)件的失效壓力，RSF是剩余強(qiáng)度系數(shù)。

剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF反映了局部減薄缺陷對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度削弱的程度，在承壓構(gòu)件的幾何尺寸、材料性能和失效載荷定義都相同的條件下，RSF只與局部減薄缺陷的形狀尺寸有關(guān)，而與構(gòu)件失效壓力的定義無(wú)關(guān)。RSF的計(jì)算式一般都用試驗(yàn)值進(jìn)行擬合而得到，含局部減薄缺陷圓柱殼構(gòu)件在爆破失效下的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFb可表示為：

在不同的FFS評(píng)定規(guī)范中規(guī)定了不同失效壓力定義下的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF，為了檢驗(yàn)各種RSF計(jì)算式的精確度，本文結(jié)合試驗(yàn)確定的剩余強(qiáng)度RSFT對(duì)各種規(guī)范RSFi計(jì)算精度進(jìn)行了綜合分析。

1.2三種評(píng)定方法RSF計(jì)算式

缺陷試樣的外徑為Do，壁厚為t，中半徑R，缺陷軸向長(zhǎng)度l=2x、深α，詳見(jiàn)圖1。其中，缺陷深度壁厚比α=a/t，缺陷等效半長(zhǎng)γ=x/(Rt)0.5。

圖1 矩形缺陷試樣結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of rectangular defect specimen structure.

表1 幾種典型的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF表達(dá)式Table 1 Several representative formula of remaining strength factor.

1.3液壓爆破試驗(yàn)及RSF計(jì)算誤差分析

1.3.1 液壓爆破試驗(yàn)

液壓爆破試驗(yàn)是一種常用于管道爆破壓力的測(cè)試的試驗(yàn)方法，主要原理是通過(guò)內(nèi)壓作用使得試驗(yàn)管發(fā)生爆破并記錄其報(bào)告壓力。這次試驗(yàn)完成了34個(gè)Ф16×1.5不銹鋼管含矩形缺陷試樣的爆破壓力測(cè)試，這些試樣缺陷參數(shù)范圍分布在：0.2≤α≤0.8，0.3≤γ<5，試驗(yàn)測(cè)得的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF繪入圖2所示。另外，將文獻(xiàn)[2]測(cè)得的10個(gè)Ф19.05×1.09 Inconel690試樣的剩余強(qiáng)度系數(shù)也一起納入分析，詳見(jiàn)圖2。

1.3.2 RSF計(jì)算誤差分析

為了比較試驗(yàn)測(cè)得的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF與幾種規(guī)范計(jì)算剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF的誤差，本文采用相對(duì)誤差(ER)來(lái)表示BS7910、API579及NB/T20013、Janelle方法等規(guī)定的剩余強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖3(a)所示。其中：

式中，RSFi表示不同規(guī)范的RSF計(jì)算式。

圖2 試驗(yàn)管的剩余強(qiáng)度系數(shù)Fig.2 Remaining strength factor of tube specimens. Note: Specimen type 1 is the RSF of Ф16×1.5 stainless steel tube, Pf0=121.0 MPa, Note 2: Specimen type 2 is the RSF of Ф19.05×1.09 Inconel690 tube, Pf0=67.0–68.0 MPa.

圖3 缺陷深度壁厚比α對(duì)剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF的影響關(guān)系(a)；缺陷當(dāng)量γ長(zhǎng)度對(duì)剩余強(qiáng)度系數(shù)的影響關(guān)系(b)Fig.3 Effect of defect depth ratio on. RSF (a); effect of defect equivalent length on RSF (b).

從圖3(a) 和3(b)可以看出：

(1) 當(dāng)α≤55%時(shí)，BS 7910剩余強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算式RSFB的精度優(yōu)于API 579，NB/T20013，Janelle方法的相應(yīng)RSF計(jì)算式；而當(dāng)α>55%時(shí)，BS 7910計(jì)算式RSFB的可靠性低于API 579的計(jì)算式RSFA；

(2) 當(dāng)γ<1、α>55%時(shí)，用BS 7910、API 579和Janelle方法相應(yīng)計(jì)算式RSFi計(jì)算得出的RSF都可能不安全。

因此，需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果改進(jìn)RSF計(jì)算式，提高計(jì)算精度。

2 含局部減薄缺陷圓柱殼RSF評(píng)定方法的改進(jìn)

2.1改進(jìn)的1級(jí)評(píng)定方法

由上述分析可知，當(dāng)α≤55%時(shí)，BS 7910剩余強(qiáng)度系數(shù)計(jì)算式RSFB的精度高。因此，對(duì)于α≤55%可直接沿用BS 7910規(guī)定的RSFB計(jì)算式。為了使RSFB在α<80%都具有相近的計(jì)算精度和可靠性，就必須對(duì)RSFB進(jìn)行改造，即在缺陷鼓脹系數(shù)MB中考慮α的影響，即鼓脹系數(shù)是參量γ和α的函數(shù)。

(1) 除α>55%，且γ<1以外，對(duì)式(3)的鼓脹系數(shù)MB引入?yún)⒘喀?，并取?7)作為鼓脹系數(shù)Mt的基本擬合函數(shù)：

式中，c、n—待定系數(shù)。

應(yīng)用最小二乘法計(jì)算出c和n，得到γ>1時(shí)Mt的擬合計(jì)算式：

(2) 當(dāng)α≥55%，且γ≤1時(shí)，式(3)的計(jì)算值RSFB>RSFT。由于RSFB與MB成反比，因此MB值偏小是造成RSFB值偏大的原因。為使RSF計(jì)算值與RSFB符合，經(jīng)反復(fù)分析計(jì)算，當(dāng)γ≤1時(shí)擬用γ0.5替代γ2，并取式(9)作為鼓脹系數(shù)Mt基本擬合函數(shù)：

采用最小二乘法計(jì)算出c0和c1，則修正后的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF為：

(3) 綜合(1)和(2)，對(duì)任何α≤80%，γ>0，取鼓脹系數(shù)MLT：

則含缺陷試驗(yàn)管的1級(jí)評(píng)定的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF為：

2.2 RSF改進(jìn)計(jì)算式的可靠性驗(yàn)證

改進(jìn)的RSFLT、BS7910的RSFB、API579的RSFA和Janelle的RSFJ的計(jì)算值和RSFLT的相對(duì)誤差如圖4所示。

圖4 修正后的RSF與其它三種RSF計(jì)算誤差比較Fig.4 Comparison of RSF calculation error betweenRSFB/RSFA/RSFJand modified RSFLT.

由圖4可知，改進(jìn)計(jì)算式(9)的RSF計(jì)算值分散度及相對(duì)誤差小，既具有很高的計(jì)算精度，又具有滿意的可靠性。

3 結(jié)論

綜上所述，試驗(yàn)及分析結(jié)果表明：

(1) 當(dāng)α≤55%時(shí)，BS 7910中的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF計(jì)算式的精度高于API 579、NB/T20013、Janelle方法的相應(yīng)計(jì)算式的精度；而當(dāng)α>55%時(shí)，BS 7910中的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF計(jì)算值的可靠性一般低于API 579的RSF計(jì)算值；

(2) 當(dāng)γ≤1、α≥55%時(shí)，用BS 7910、API 579、NB/T20013和Janelle方法中推薦的一級(jí)RSF計(jì)算式計(jì)算爆破壓力剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF比試驗(yàn)確定的RSFT大；

(3) 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正后得到的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFLT，其計(jì)算結(jié)果誤差小。因此，修正后剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFLT計(jì)算式的精度明顯優(yōu)于其它的RSF計(jì)算式的計(jì)算精度。

1 Janelle J L, Osage D A, Burkhart S J. An overview and validation of the fitness-for-service assessment procedures forlocal thin areas[M]. Welding Research Council Bulletin 505, September 2005

2 李思源, 唐毅, 聶勇, 等. 蒸發(fā)器含缺陷傳熱管爆破壓力的計(jì)算[J]. 壓力容器, 2007, 24(12): 1–7 LI Siyuan, TANG Yi, NIE Yong, et al. Burst pressure calculation of steam generator tube containing defects[J]. Pressure Vessel, 2007, 24(12): 1–7

3 BS 7910—1999, Guide on method for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]

4 API 579－1/ASME FFS－1, Fitness－for－service 2007

5 含缺陷核承壓設(shè)備完整性評(píng)定[S]. NB/T20013-2010 Structure integrity assessment standard of nuclear component containing defects[S]. China standard: NB/ T20013-2010

Remaining strength assessment methodology of cylindrical tubing containing local wall thinning defect

TANG Yi1WANG Qi2SUN Haitao3LI Pingren4QIAO Wei1GUI Chun1
1(China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd, Wuhan 430223, China) 2(China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen 518001, China) 3(Nuclear and radiation Safety Center, Beijing 100020, China) 4(Dayabay Nuclear Operation Management Co.,Ltd, Shenzhen 518001, China)

Background：The wear type defect is very common volumetric flaw in steam generator tube, which is most important aspect to affect strength of steam generator tube. Thus, a specific assessment method shall be formulated aiming to this thin-wall tube. Purpose: The aim is to establish a formula of remaining strength factor based on burst pressure experiment results of steam generator tube specimens, which is applicable to safety assessment of cylinderical tubing containing local wall thinning defect. Methods: Therefore, the burst pressure test was performed in order to calculate the remaining strength of steam generator tube containing local thinning wall. Concerning assessment methodology of local wall thinning of cylindrical tubing, several assessment methodologies of the structural integrity were recommended within the codes, such as China code of NB20013, BS7910, API579 and Janelle’s dissertation. In the recent year, the burst pressure experiment was carried out on cylindrical tubing with local wall thinning defect, and the methods mentioned above were used to calculate the burst pressure and compared with the experiment result. Results: However, the calculated burst pressure result does not always match well the experiments. In the case that defect depth by wall thickness is over than or equal 70%, the calculated burst pressure is far more than the experiment’s, thus this case is not conservative as far as safety concerned. Conclusions: Finally the modified RSF formula is developed on the basis of the experiment’s burst pressure, and which is most accurately applicable to the result of burst pressure experiment.

Remaining strength, Defects, Tube, Pipe, Assessment methodology

TB125

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040635

唐毅，男，1973年出生，2002年于武漢大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域：核設(shè)備可靠性與壽命評(píng)估及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)

2012-11-30，

2013-01-15

CLC TB125