國金蓮，李琪，唐卉，石乾宇

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

承壓設(shè)備在使用之初或在服役以后難免出現(xiàn)缺陷，對于存在缺陷的承壓設(shè)備已經(jīng)不能采用傳統(tǒng)的強度理論進(jìn)行評價，而需要根據(jù)以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的方法進(jìn)行評價。從20 世紀(jì)70 年代起，許多國家相繼頒布了評定承壓設(shè)備缺陷相關(guān)規(guī)范，并廣泛應(yīng)用于工程實踐中，與此同時，斷裂力學(xué)的迅速發(fā)展也使這些規(guī)范不斷地修訂和完善，所采用的方法已經(jīng)從以線彈性斷裂理論為基礎(chǔ)的評定方法發(fā)展到以彈塑性斷裂理論為基礎(chǔ)的COD 設(shè)計曲線法、J積分工程估算法及雙判據(jù)失效評定法（FAD），基于彈塑性斷裂理論的承壓設(shè)備缺陷評定方法已經(jīng)在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

某電廠除氧設(shè)備在運行中出現(xiàn)了約200 mm 長的軸向穿透裂紋，內(nèi)部為高溫汽水介質(zhì)。由于電廠負(fù)荷要求暫不能停機維修，因此需要對該設(shè)備的安全性進(jìn)行評定，本文首先根據(jù)GB/T 19624—2019[2]中的FAD 方法對裂紋進(jìn)行評定，其次采用彈塑性有限元方法計算裂紋尖端的J積分，與運行溫度下Q345R 的斷裂韌性進(jìn)行比較，綜合評估該軸向裂紋的安全性。

1 FAD 評定

FAD 評定方法以裂紋張開位移理論為基礎(chǔ)，最早在英國R6 規(guī)范中應(yīng)用[3]，失效評定圖見圖1，其縱坐標(biāo)Kr代表結(jié)構(gòu)對脆性斷裂的阻力，具體指施加載荷作用下的應(yīng)力強度因子與以應(yīng)力強度因子表示的材料斷裂韌性的比值，橫坐標(biāo)Lr代表結(jié)構(gòu)對塑性失穩(wěn)的阻力，具體指引起一次應(yīng)力的施加載荷與塑性屈服極限載荷的比值，表示載荷接近于材料塑性屈服極限載荷的程度。安全區(qū)由失效評定曲線（FAC）圍成。參照GB/T 19624—2019 中平面缺陷常規(guī)評定程序，評定步驟為：

（1）缺陷的表征；

（2）應(yīng)力的確定；

（3）材料性能數(shù)據(jù)的確定；

（4）應(yīng)力強度因子KIP的計算；

（5）Kr的計算；

（6）Lr的計算；

（7）安全性評價。

表1 給出了所評定圓筒的基本參數(shù)。

表1 圓筒參數(shù)Table 1 Parameters of cylindrical shell

評定過程如下：

缺陷的表征。裂紋長度a= 200 mm。

應(yīng)力的確定。由于筒體外側(cè)保溫良好，其厚度方向溫差很小，因此忽略厚度方向的溫差應(yīng)力，軸向裂紋所承受的應(yīng)力為筒體的環(huán)向應(yīng)力。

圖1 通用失效評定圖Fig.1 Failure assessment diagram

圖1 中可看出評定點位于FAC 曲線下方，評定合格，裂紋不會失穩(wěn)擴(kuò)展。

2 J 積分計算

2.1 網(wǎng)格及材料屬性

網(wǎng)格劃分采用Ansys 軟件中提供的20 節(jié)點SOLID186 實體單元，對裂紋附近及裂紋尖端單元依次進(jìn)行加密，如圖2 ～ 3 所示。

圖2 圓筒整體網(wǎng)格Fig.2 Mesh of cylindrical shell

圖3 裂紋區(qū)域網(wǎng)格Fig.3 Mesh of crack zone

Q345R 為典型的壓力容器用鋼，具有較好的延性，且在高溫下延性更為明顯。因此本文采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行圓筒的應(yīng)力分析，進(jìn)而計算裂紋尖端J積分，參考ASME Ⅷ-2 附錄3.D 的方法可以得到200 ℃時Q345R 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4 所示。

圖4 材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of material

2.2 邊界條件

圓筒一端約束環(huán)向和軸向位移，另一端施加內(nèi)壓產(chǎn)生的等效力，圓筒內(nèi)壁表面和裂紋表面施加內(nèi)壓，如圖5 所示。

圖5 邊界條件Fig.5 Boundary conditions

2.3 計算結(jié)果

圖6 裂紋尖端J 積分Fig.6 J-integral of crack tip

3 結(jié)束語

本文首先采用FAD 方法對Q345R 圓筒軸向裂紋進(jìn)行安全評定，其次采用彈塑性有限元方法計算了裂紋尖端的J積分，并參照文獻(xiàn)中的擬合公式計算了200 ℃時Q345R 的斷裂韌性，綜合評估了該軸向裂紋的安全性，為現(xiàn)場維修時機選擇提供一定指導(dǎo)。但目前Q345R 材料在高溫條件下的斷裂韌性數(shù)據(jù)還鮮有報道，因此，要更準(zhǔn)確地評估高溫條件下含缺陷壓力容器的安全性，更多的材料性能試驗工作還有待開 展。