0 前 言现代大型金属结构及长距离油、气输送管道由于材料成型、焊接及施工过程中存在外部损伤和难以探察的焊接微观缺陷 ,在一定服役环境和力学条件下 ,这些缺陷就成为裂纹的发源地 ,进而引起结构和管道局部或大范围破坏 ,造成巨大财产和人员损失。为防止此类现象 ,早在 1 968年 ,国外就提出应制定基于 FFP( fitness- for- purposeFFP)的结构缺陷接受准则。英国标准协会于1 970年成立了 WEE/37委员会研究设立新的以“合于使用”为准则的可接受标准。经过近 1 0年努力后 ,1 980年发布了 PD6493— 1 980结构完整性评定标准。同期 ,其他国家和许多机构也进行了大量的缺陷评定研究 ,如英国中央电力局 ( CEGB) ,在 1 976年开发了 R6评定方法。之后 ,这些标准先后进行了多次修订、增补 ,如 PD6493— 1 991 ,BS791 0— 1 999,R6— 1 986,R6— 1 999等。“合于使用”(或 fitness- for- service FFS、或工程临界分析 Engineering Critical Analysis ECA)评定技术以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工程为基础 ,承认结构存在偏差和缺陷的可能性 ,但在考虑经济性的基础上 ,科学分析已存缺陷对结构完整性的影响 ,保证结构不发生任何已知机制的失效 ,因而被广泛应用于工程结构质量评估中。目前 ,根据“合于使用”原则建立的评定方法很多 ,得到工程很好验证并普遍采用的主要有 R6、API 5 79、BS 791 0、以及最新的 SINTAP等。随着我国经济的发展 ,对石油、天然气的需求急剧增加 ,根据我国天然气工业的发展 ,以及“西气东输”工程和拟议中跨国天然气管线建设的需要 ,深入了解、研究这些评定技术对制定我国自己的相应标准将具有极大的参考价值。1 R6方法及其发展 R6评定方法 ,即“含缺陷结构完整性评定标准”,是英国中央电力局 ( CEGB)于 1 976年基于结构塑性失稳载荷和线弹性断裂力学开发的静态韧性 /脆性断裂评定方法。自 1 976年问世以来 ,R6已经过了 4次修订<1> 。该技术使用缺陷评定图( Failure Assessment Diagram简称 FAD)曲线 ,根据已知材料、载荷数据的不同 ,共有三种评定选择 ,当仅知道材料屈服应力时 ,可以采用选择 1 ;选择 2评定则需要材料的应力 -应变关系曲线 ;选择 3相对复杂 ,要有材料性能、裂纹尺寸等详细数据 ,但可大大降低评定结果的保守性。评定图纵轴和横轴分别代表断裂驱动力与断裂韧性的比率以及施加载荷与塑性失稳载荷的比率 ,分别为 :Kr=K/Kmat,Lr=P/PL(σy) ,式中 K为与载荷 P对应的应力强度因子 ,PL 为流变应力等于屈服应力时裂纹体的刚 -塑性极限载荷 ,Kmat为断裂韧性 ,Kr和 Lr取决于施加载荷、材料性能、裂纹尺寸和形状。在断裂评定图中 ,失效评定曲线由函数 f定义。最简单的选择 1曲线方程为 :f1( Lr) =( 1 - 0 .1 4Lr2 )·<0 .3+ 0 .7exp( - 0 .65 Lr6 ) >( 1 )而塑性失稳点 Lr
。2 0 0 0年 ,R6发布了第 4修订版 ,在最新版本中加入了裂纹止裂方法、接头匹配效应、局部方法和有限元方法等新的内容。在接头强度失配效应的处理上 ,与以前相比降低了保守程度。该方法以双材料模型给出 ,将接头性能以等效材料的形式进行处理。对于如热影响区等复杂情况 ,可以通过适当的合并简化转化为双材料模型。其给出的等效材料性能公式为 :σe( εP) =<( PLmis/PLb- 1 ) σw( εP) +( M- PLmis/PLb) σb( εP) >/( M- 1 ) ( 5 )式中σb 和σw 分别代表母材和接头强度 ,εP 为塑性应变 ,M为接头失配率 ,通常为塑性应变的函数 ,PLmis/PLb是失配部件的极限载荷与纯母材载荷的比率。在局部接近法中 ,R6附录 1 7给出了几种局部法模型 :Beremin泄露裂纹模型 ,Beremin韧性断裂模型、Rousselier和 Gurson损伤力学模型。2 API 579的基本内容及最新发展 为对石化工业及核工业中压力容器、管道、贮罐等结构进行 FFS评定 ,美国石油学会制定了API 5 79<3> 。它从损伤机制、材料行为、运行条件、无损探伤 (裂纹位置、尺寸 )、材料性能 (环境影响 )、应力分析 (常用有限元分析 )、数据分析 (工程可靠性模型 )等方面对管道结构的完整性进行评定 (见图 1 )。它的数据要求为 :初始设备设计数据、维护运行历史、FFS评定所需的数据、尺寸、推荐的检测方法等。API5 79的评定参数及评定曲线与 R6和 BS791 0相同 ,但它的韧性比率由下式确定 : Kr=( KPI+ΦKSRI ) /Kmat ( 6)式中 KPI 为一次载荷下的施加应力强度因子 ,KSRI为二次和残余应力导致的应力强度因子 ,Kmat是断裂韧性 ,Φ为 KSRI 的塑性调整因子。这一点是由Ainsworth等 <4 > 提出的 ,与 R6和 BS 791 0的最新版本有所不同。R6和 BS791 0是以来考察二次应力和残余应力塑性效应。虽然都是从同一分析得到 ,但因子公式代表的是韧性对塑性区的依赖 ,缺乏理论依据。 API 5 79提供了另一参考应力的定义公式 :σref=Hσnominal,式中几何因子 H 由 Lr=1时的名义应力推出 :H =σys/σnominal。同样 ,API5 79分为三个不同水平的评定 ,水平 2的 FAD曲线与 R6选择 1的完全相同 ,与 BS791 0水平 2的表达式也一样。但是水平 2对韧性、裂纹尺寸和应力应用了偏安全系数 ( PSFs) ,可以选择目标可靠度进行确定性分析。如果通过调整输入 PFSs值使得评定点落在 FAD以内 ,那么可以得知实际断裂可能性小于目标值。水平 3的评定需要高级分析 ,但其方法不外乎 R6评定选择 2或 3的评定公式。 API 5 79在最近进行了修订 <5> ,其最新发展主要有以下几个方面 :( 1 ) K因子求解方法 :API5 79附录 3含有一些裂纹体应力强度因子的解决方法 ,有圆筒体内外表面轴向裂纹、内外表面环向裂纹、球体经线内外表面裂纹。同时分析了三种载荷 :均匀裂纹面压图 1 API5 79FAD评定步骤简图力、线性变化裂纹面应力、整体弯曲力矩 (筒体环向裂纹 )的作用。例如对裂纹面压力均匀分布的筒体 ,应力强度因子为 KI=p G0 πa/Q,式中 p为裂纹面压力 ,G0 为尺寸无关几何因子 ,受筒体内半径和壁厚比率 ( Ri/t)影响 ,Q为裂纹形状参数 :Q=1 + 1 .464( a/c) 1.6 5( 2 )断裂韧性估计 :附录 F包含材料性能的信息 ,提供了与夏比转变温度关系的估算方法。例如对动态加载或氢控钢 ,下限韧性关系为 :KIR=2 9.5 + 1 .344exp<0 .0 2 6( T- Tref+ 89) >(单位 :( MPa m ,℃ ) ,Tref为碳钢 2 0 J转变温度 )从根本上来说 ,API5 79的评定方法基本与R6方法相同 ,只是在局部作出了修改和增加 ,因而二者具有共通之处 ,可以相互借鉴。3 欧洲 SINTAP评定程序 SINTAP( Structural Integrity AssessmentProcedures for European Industry)是由欧洲多个国家、企业资助 ,于 2 0 0 0年发布试行的最新欧洲统一工业结构完整性评定标准。该标准对脆性断裂、延性撕裂和塑性失稳等都有表述 <6 >。它结合欧洲及其它国家现有的部分评定标准 ,并在其基础上做出了适当地改进和发展。该标准共分 7个评定水平 ,当只知屈服应力时使用缺省 0水平 ,该水平从夏比冲击数据估计断裂韧性 ;当屈服应力、最大拉伸应力及接头强度不匹配程度小于 1 0 %时 ,可进行水平 1基本评定 ;水平 2失配评定与水平 1数据基
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