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)其擴大延伸時達到引起該材料發(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的實際意義是，因鋼材的韌性隨溫度降低而逐漸減小進而趨于脆化，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，由于它會使裂紋擴展，使得檢出的缺陷或裂紋的 KI（應(yīng)力場強度因子）超過K1H 時，即 KI≥N1H，該裂紋就會擴展。KI的定義是。其中K為應(yīng)力場強度因子，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度。這時裂紋前端的材料將分離，該裂紋就失穩(wěn)而擴展，從而導(dǎo)致脆斷。

K1H與下臨界應(yīng)力擴大系數(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)擴展到臨界狀態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力場強度因子，被稱為臨界應(yīng)力場強度因子，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)擴展能力的量度。

在實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

氫裂紋的擴展。一般認(rèn)為氫裂紋的擴展過程是當(dāng)氫向較高應(yīng)力區(qū)擴散，該區(qū)的應(yīng)力水平和氫含量在局部地區(qū)達到臨界值時就發(fā)生開裂。爾后，氫又向高應(yīng)力區(qū)擴散，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展的速度。對氫裂紋擴展速度的研究表明，氫裂紋擴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行安全性能評定的研究具有重要的理論價值和實際意義。

［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.