壓力容器壽命評價技術(shù)研究

馮 馳

（寧夏回族自治區(qū)鍋爐壓力容器檢驗所，寧夏 銀川750001）

0 引言

在沒有依據(jù)的情況下報廢壓力容器，會給企業(yè)帶來帶來經(jīng)濟(jì)損失，但如果盲目使用已經(jīng)失效的壓力容器，一旦發(fā)生事故，不僅會使整個壓力容器的結(jié)構(gòu)遭到破壞，而且還會造成人身事故，帶來更大的災(zāi)難。因此，如果能采取一套行之有效的方法，對這些設(shè)備經(jīng)過嚴(yán)格的非破壞性檢驗和材質(zhì)的調(diào)查，并正確診斷之后，能比較精確的評價其壽命，則會帶來極大的利益。因此，各國對如何正確評價壓力容器壽命的技術(shù)進(jìn)行了積極而廣泛的研究。

1 評價壓力容器剩余壽命的方法

當(dāng)定期地使用非破壞性檢測儀器，檢測出裂紋和裂紋性缺陷時，就可以根據(jù)下式計算出壓力容器的剩余壽命（時間）。

式中：C和M為常數(shù)，它與材料的斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速度有關(guān)。 M 為 Taylor因子，它等于（cosφ·cosλ）－1，其中 φ 為拉伸軸與滑移面法線之間夾角，λ為拉伸軸與滑移方向之間夾角；a為裂紋或裂紋性缺陷的長度；acr與臨界裂紋的長度，它可用下式計算出來。

式中：Q 為應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)，它等于［1＋ln（1＋X／a）］，其中 X 為缺口腳部的距離，Kic為裂紋斷裂韌性，σ為應(yīng)力。

上式說明，壓力容器的剩余壽命，就是被檢出的裂紋缺陷長度a，當(dāng)其擴(kuò)大延伸時達(dá)到引起該材料發(fā)生脆性斷裂的臨界裂紋長度acr的時間。要想對壓力容器壽命進(jìn)行計算，則必須有如下六方面的數(shù)據(jù)：

①材料的化學(xué)成分（也就是所謂的J—因子）；

②在零度以上的材料夏氏V型沖擊吸收能量；

③在零度以上的材料的屈服應(yīng)力；

④有關(guān)裂紋的長度和形狀的系數(shù)；

⑤時間；

⑥應(yīng)力。

2 預(yù)測材質(zhì)的劣化

預(yù)測材質(zhì)劣化的主要性能是材料的回火脆化。代表材料的回火脆化可以有很多參數(shù)，但最主要的是所謂的FATT——脆性轉(zhuǎn)變溫度。

壓力容器大多是用碳鋼和低合金鋼制造的，這些鋼種都具有體心立方晶體，其韌性隨溫度改變而變化的敏感性遠(yuǎn)大于面心立方晶格的金屬（如 Ni，Cu，奧氏體鋼等）。而且試驗證明，低合金鋼的韌性隨溫度降低而逐漸減小，并且在一定臨界溫度范圍內(nèi)韌性會顯著減小，該臨界溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。體心立方晶體金屬脆性特點(diǎn)就是存在著這種脆性轉(zhuǎn)變溫度。在工程中常采用的轉(zhuǎn)變溫度標(biāo)準(zhǔn)是由夏氏V型缺口沖擊試驗所確定的轉(zhuǎn)變溫度，而最常用的是用沖擊試樣斷口外貌來確定FATT。一般說來，隨著試驗溫度降低，沖擊試樣斷口會由纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔褧r顆粒狀斷口，現(xiàn)時都是采用纖維狀斷口（或顆粒狀斷口）百分?jǐn)?shù)達(dá)到某一規(guī)定值（通常是50%）時的溫度作為轉(zhuǎn)變溫度，常用50%FATT表示。FATT的實(shí)際意義是，因鋼材的韌性隨溫度降低而逐漸減小進(jìn)而趨于脆化，故在防止結(jié)構(gòu)脆斷中，人們采用最低工作溫度作為抗脆斷設(shè)計和選擇材料的依據(jù)。還規(guī)定了在最低工作溫度時所需要的沖擊韌性。 各鋼種的 FATT 又與 J—因子［＝（Si+Mn）（P+Sn）］×104（重量）%，x（＝10p+5sb+4Sn+As）×10-2，以及使用時間等有密切的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)可以從有關(guān)手冊中查到。例如，對于2*1/4*cr-1Mo鋼來說，當(dāng)使用時間—定時，J—因子越大的材料，其 FATT就向高溫移動。譬如，使用時間為10萬小時，J—因子為 J300時的 FATT約為120℃，J273時的 FATT約為 95℃，J212的 FATT約為 52℃，J150的 FATT約為 20℃，J100的 FATT約為 0℃。

3 由FATT推算K1H（下臨界應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)）

由非破壞性檢驗測出的缺陷和裂紋，它們并非全部都是有害的缺陷或裂紋。只有那些能擴(kuò)展的裂紋才會影響壓力容器的安全性和使用壽命。例如，在有氫存在下，由于它會使裂紋擴(kuò)展，使得檢出的缺陷或裂紋的 KI（應(yīng)力場強(qiáng)度因子）超過K1H 時，即 KI≥N1H，該裂紋就會擴(kuò)展。KI的定義是。其中K為應(yīng)力場強(qiáng)度因子，下標(biāo)I是表示I型（張開型）裂紋。y是與裂紋形狀、試樣類型和加載方式等有關(guān)的量，例如，對于無阻寬板中心貫穿裂紋來說，其為外加應(yīng)力，a為材料內(nèi)裂紋長度。由其定義可見，KI隨著外加應(yīng)力的增高而增大。KI的增大使裂紋前沿各點(diǎn)的內(nèi)應(yīng)力也隨著增大。當(dāng)KI增大到等于某一臨界值時，就會使裂紋前端某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力等于脆性材料的斷裂強(qiáng)度。這時裂紋前端的材料將分離，該裂紋就失穩(wěn)而擴(kuò)展，從而導(dǎo)致脆斷。

K1H與下臨界應(yīng)力擴(kuò)大系數(shù)，它與材料的退火脆化有著密切的關(guān)系。譬如，對于2.25Cr-1MO鋼來說，當(dāng)含氫量為2.0-2.5ppm時，K1H將隨著FAlT的增高而降低。并有如下關(guān)系。

因為材科的退火脆化程度不同，其 K1H值也不相同，所以必須求出與材料退火脆化程度相對應(yīng)的K1H值。

4 根據(jù)夏氏 V型沖擊吸收能量計算 KIc（裂紋斷裂韌性）

如上節(jié)所述，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展到臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強(qiáng)度因子，被稱為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子，用KIc表示。KIc通常稱為材料的斷裂韌性。它的物理意義是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的量度。

在實(shí)際評價壓力容器的壽命時，必須推算出該材料的斷裂韌性。當(dāng)然推算材料的斷裂韌性的方法很多，而最方便和可靠的是由夏氏V型沖擊試驗結(jié)果來決定。例如，對2十鋼而言，在FATT高于0℃以上的區(qū)域，則有如下Roife-Novak的經(jīng)驗公式可以利用。

其中，KIc為在FATT為0℃以上時的斷裂韌性，其單位為MPa/M；CVN-us為夏氏V型沖擊試驗的吸收能量，單位為J；σy為材料的屈服強(qiáng)度，單位為MPa。

同時還可以將KIc隨FATT的變化作成一個通用圖表，并由該圖可以查出在不同置信度下與FATT相對應(yīng)的KIc來。并從而可以進(jìn)一步得出經(jīng)過長時間使用后該壓力容器制造材料的KIc值。

5 計算殘余應(yīng)力

如上所述，Kl是與裂紋長度的0.5次方成正比，并與內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力）成正比。并且，殘余應(yīng)力是壓力容器安全性的一個重要標(biāo)志。因此，壓力容器結(jié)構(gòu)材料中存在的殘余應(yīng)力是很重要的一個因素。但是要測定材料中的殘余應(yīng)力又是十分因難的。因此，一般是將殘余應(yīng)力計算在作用應(yīng)力之內(nèi)，并取總合成應(yīng)力為材料的屈服應(yīng)力值，但這樣計算出的壓力容器壽命會明顯縮短。因此，如何正確地考慮殘余應(yīng)力是預(yù)測壓力容器壽命的重要問題之一。造成材料中的殘余應(yīng)力主要有如下兩方面，即由于熱膨脹系數(shù)差引起的殘余應(yīng)力σR1和由于結(jié)構(gòu)曲引起的殘余應(yīng)力σR1。

①由于熱膨脹系數(shù)蟹引起的殘余應(yīng)力

②由于結(jié)構(gòu)物引起的殘余應(yīng)力

③殘余應(yīng)力的推算

6 壓力容器的氫脆

氫裂紋的擴(kuò)展。一般認(rèn)為氫裂紋的擴(kuò)展過程是當(dāng)氫向較高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，該區(qū)的應(yīng)力水平和氫含量在局部地區(qū)達(dá)到臨界值時就發(fā)生開裂。爾后，氫又向高應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散，經(jīng)一定的孕育期后在裂紋尖端再次出現(xiàn)臨界狀態(tài)，于是氫的第二次開裂又發(fā)生。這個過程不斷反復(fù)，使裂紋尖端的氫裂紋不斷形成和擴(kuò)展，最后導(dǎo)致斷裂。

要定量地評價壓力容器的氫斷裂，則必須定量的知道氫裂紋擴(kuò)展的速度。對氫裂紋擴(kuò)展速度的研究表明，氫裂紋擴(kuò)展具有三個不同的階段。

7 結(jié)束語

總之，電站氫氣壓力容器作為壓力容器中的重要非熱力系統(tǒng)壓力容器，主要負(fù)責(zé)存儲供發(fā)電機(jī)冷卻使用的氫氣，在電廠的安全生產(chǎn)中占有舉足輕重的位置，對電站氫氣壓力容器進(jìn)行安全性能評定的研究具有重要的理論價值和實(shí)際意義。

［1］李培寧.在用壓力容器安全狀況等級評估與缺陷評定[J].壓力容器,1991,8(3)：65-70.

［2］壓力容器安全評定規(guī)程編寫組.在役含缺陷壓力容器安全評定規(guī)程[S].1995.