[发明专利]针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温承压结构的安全评定方法，特别是涉及蠕变损伤、体积型缺陷的长期服役后的高温承压结构的安全评定的一种方法。

背景技术

在电力、石化、核能及航空航天等工业领域中高温高压的工艺被广泛采用。在高温高压条件下长期工作的承压结构不可避免地会产生蠕变损伤，加之在制造和工作过程中承压结构常常会产生夹渣、凹坑、减薄等体积型缺陷，这些蠕变损伤和体积型缺陷会削弱承压结构的承载极限，会给设备带来安全隐患，甚至可能造成泄漏、爆炸等事故。能在高温高压条件下运行的设备一般价格较高，出于对安全的考虑，人们对于存在缺陷或者安全隐患的设备一般不会再用，或维修或报废，这就会产生较大的经济损失。因此，如何科学、准确地对高温高压条件下运行的设备进行安全评定和及时合理的维修，排出安全隐患，预防事故发生，就成为业界亟待解决的问题。

对可能存在蠕变损伤或体积型缺陷的高温高压设备进行安全评定和分析的一个重要内容是对结构承载极限的分析。通过承载极限的分析，可以确定高温高压设备在外载荷下的极限承载能力。目前，人们一般认为：当结构中的一点或者局部发生屈服的时候，并不会导致结构整体的破坏，只有当结构发生整体垮塌时，才失去承载能力。就目前的安全评定标准而言，国外现有的一些针对体积型缺陷的压力容器安全评定标准没有考虑高温的工况，对于缺陷的规定容限总体上过于保守，在某些情况下又显得不够安全。我国《在用含缺陷压力容器安全评定》(GB/T19624-2004)未涉及高温下结构的蠕变损伤机制，没有考虑由于蠕变损伤对结构承载极限的影响。因此，目前的安全评定标准似乎都不适合用于对涉及蠕变损伤、体积型缺陷的高温结构的安全评定。

在我国，已有多项专利公开了对高温高压设备进行安全评定的方法，如中国专利CN201010130569“受内弯扭复杂载荷的含未焊透缺陷压力管道安全控制法”、CN201010507537“含裂纹类缺陷承压设备的安全评定方法”、CN200810162026“含未焊透缺陷的压力管道安全评定方法”，但是，这些专利文献多研究的是平面缺陷，未考虑高温蠕变损伤的因素。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提出一种针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，可对高温高压下长期工作的承压结构进行安全评定；并且……

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征是，包含以下步骤：

（1）对长期工作的承压结构建立弹塑性本构模型，用以预测所述承压结构的弹塑性响应；在本步骤中，基于Ramberg-Osgood模型构建一个耦合材料各向同性的蠕变损伤的弹塑性本构模型，将所述承压结构所受到的蠕变损伤耦合到弹塑性本构模型中，预测长期服役后的承压结构的弹塑性响应，进而为估算其承载极限做准备；

（2）在步骤（1）的基础上，得到含有蠕变损伤材料的力学特性，运用有限元分析方法，研究带各种形状、尺寸的凹坑及局部减薄缺陷的承压结构在内压或弯矩载荷作用下塑性区域的扩展过程和失效模式，研究各种凹坑及局部减薄缺陷所致的不同蠕变损伤对所述承压结构承载极限的影响，定量地算出所述承压结构的承载极限值；

（3）根据步骤（2）有限元的分析和计算结果及拟合公式，确定安全评定步骤，对含有蠕变损伤和/或体积型缺陷的承压结构进行安全评估，从而评估该承压结构的安全状态。

进一步，步骤（1）所述弹塑性本构模型的构建方法为：

（1）不考虑氧化、腐蚀等环境因素的影响，从微观组织的角度分析，所述蠕变损伤受三种因素的综合影响：粒子粗化、固溶元素贫化以及微空洞形核长大；

设：

由粒子粗化导致的蠕变损伤为D_P；

由固溶元素贫化导致的蠕变损伤为D_S；

由微空洞形核长大导致的蠕变损伤为D_N；

D_P的损伤速率为：

式中，t₀,t_r为蠕变开始时间和断裂时间；K_p为粒子粗化的速率常数；

D_S的损伤速率为：

式中，K_S为粒子析出的速率常数；

D_N的损伤速率为：

式中，A，υ，是与最小蠕变应变速率以及断裂相关的材料常数；