含缺陷压力容器安全评定
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11 含缺陷压力容器的安全评定
Chapter 11 Safety Assessment of Pressure Vessels with defects
1
本章任务
熟悉压力容器缺陷形式 了解含缺陷压力容器的“合乎使用”原则 了解断裂力学基本理论 了解压力容器安全评定发展过程 了解我国基于GB19624的含缺陷压力容器评定方法
反映材料抗断裂能力的性能参数称为材料的断裂韧性。 断裂韧性是材料本身特性常数，均裂纹尺寸、外加载荷等因素无关。
2
11 含缺陷压力容器的安全评定
压力容器不可避免存在缺陷，且在使用过程中，还会因载 荷、介质等因素萌生新的缺陷。如果对发现缺陷的容器“立 即判废”并返修或更换，一方面返修过程中电弧气刨、焊接 等过程不可避免对材料产生影响，可能加速材料劣化；另一 方面不必要的返修和更换会造成巨大的经济损失。
实践证明，并非所有超标缺陷都会导致压力容器失效。若 能对缺陷加以区分，进行必要的分析评定，消除那些具有潜 在危险的缺陷，而保留对安全没有威胁的缺陷，则能在保证 安全的基础上，节省大量资源和成本。
线弹性断裂力学
弹塑性断裂力学
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.1 线弹性断裂力学基本理论
A rθ 2a
xx
a 2 r
cos ( )[1 s i n( ) s i n(3
2
2
2
)]
yy
a 2 r
cos ( )[1 s i n( ) s i n(3
2
2
2
)]
xy
a 2 r
s i n( ) cos ( ) cos (3
2
2
2
)
z
a 2 r
2
cos( ) 2
(平 面 应 变)
0
(平 面 应 力)
KI a
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.1 线弹性断裂力学基本理论
A rθ 2a
KI a
实践证明，随着载荷的增大，应力强度因子 随之增大。当应力强度因子增大到一定程度 后，裂纹会突然失稳扩展，直至断裂。 把裂纹失稳时的应力强度因子称为临界应力 强度因子KIC，又叫断裂韧性。其大小与试 件厚度及裂纹尺寸无关。若KI<KIC，裂纹不 会失稳破坏，称为K判据
J积分定义：从裂纹下表面出发，逆时针方向围 绕裂纹尖端取回路Γ终于裂纹上表面，则
J (dy T
u ds) x
式中： ω—应变能密度；
T —作用在积分周界上的力
u ——积分周界上的位移矢量；
ds—积分周界微元场。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.3 弹塑性断裂力学基本理论
11.1.3 焊接缺陷
（1）外观缺陷 （2）埋藏缺陷 （3）组织和成分缺陷
（a）表面裂纹（b）焊瘤（c）烧穿（d）弧坑 图11-2焊接外观缺陷示意图
wenku.baidu.com
（a）裂纹 （b）未熔合 （c）未焊透 （d）夹渣 图11-3埋藏缺陷示意图
11.2 含缺陷压力容器的“合乎使用” 原则
检测
对含缺陷的压力容器，工程界提出了基于
带裂纹构件，当受到外加应力σ作用后裂纹张开， 裂纹尖端产生塑性变形，裂纹尖端有张开位移和 钝化区。在原裂纹尖端处塑性变形大小称为裂纹 尖端张开位移δ。外加应力增大，则δ也随之增 大，当σ大到足以使裂纹开裂前的δ为临界张开 位移δc。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
弹塑性断裂力学首先要解决的问题，就是如何在弹塑性或非线性条 件下，确定一个像线弹性断裂力学中应力强度因子K那样的参量，既能 定量描述含裂纹体的应力、应变场强度，又能用简易方法进行实验测定 并能用理论估算的场参量。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
“合乎使用”（Fitness for Service）原则
缺陷特征
的压力容器安全评定方法。由无损检测发现的 压力容器缺陷，经过严格的理论分析与计算， 如果确认不致发生断裂或失稳破坏，且还有足 够的安全裕度，则可认为是安全、可接受的。 对这种不符合设计制造规范的缺陷予以保留， 且投用后既不引起危险，又能保持容器完整性 的缺陷处理原则，称为“合乎使用”原则。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
对高韧材料，结构中出现裂纹或裂纹扩展之前，裂纹尖端已经存在 着较大的塑性区域。屈服区的存在将改变裂纹尖端应力场的性质，当裂 纹尖端塑性区尺寸接近或超过裂纹尺寸时，线弹性断裂力学的理论不再 适用于这种情况，就需用弹塑性断裂力学的理论来研究。
断裂力学不再单纯使用传统设计中的应力作为评价的标准，而使用表征裂纹尖 端附近应力场的断裂参量来建立断裂判据。断裂力学的诞生，并没有取代传统 的强度设计方法，而是它的一个补充，它重点处理宏观缺陷扩展所引起的结构 失效问题。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
断裂力学的基本研究内容包括：① 裂纹的起裂条件；② 裂纹在外部 载荷和其他因素作用下的扩展过程；③ 裂纹扩展到什么程度物体会发生断 裂。另外，为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏； 在一定载荷下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定 的情况下，结构还有多长寿命等。
11.1 压力容器缺陷形式
11.1.1 板材缺陷
（1）非金属夹杂 （2）化学成分及组织结构不合格 （3）裂纹 （4）表面缺陷 （5）加工成形缺陷 （6）热处理缺陷
11.1 压力容器缺陷形式
11.1.2 锻件缺陷
（1）非金属夹杂物 （2）夹渣 （3）龟裂 （4）锻造裂纹 （5）褶皱
11.1 压力容器缺陷形式
依据标准及 规范判据
可接受
运行
否
返修更换
巨大 浪费
适 评价分析 用
性
评 价
可接受的判据
可接受
运行
显著
经济 效益
否
返修或更换
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
传统的设计以材料的均匀性、连续性假设为前提，强度条件是最大计算应力 小于许用应力。但是现实中大量使用的焊接材料，会存在各种各样的缺陷。 在断裂力学中，常把这些缺陷均简化并统称为“裂纹”。裂纹处会产生高度 的应力集中，应力在裂纹尖端有奇异性。因此在裂纹尖端无法用应力分量来 度量裂纹的危险程度。传统的设计方法不再适用。
Chapter 11 Safety Assessment of Pressure Vessels with defects
1
本章任务
熟悉压力容器缺陷形式 了解含缺陷压力容器的“合乎使用”原则 了解断裂力学基本理论 了解压力容器安全评定发展过程 了解我国基于GB19624的含缺陷压力容器评定方法
反映材料抗断裂能力的性能参数称为材料的断裂韧性。 断裂韧性是材料本身特性常数，均裂纹尺寸、外加载荷等因素无关。
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11 含缺陷压力容器的安全评定
压力容器不可避免存在缺陷，且在使用过程中，还会因载 荷、介质等因素萌生新的缺陷。如果对发现缺陷的容器“立 即判废”并返修或更换，一方面返修过程中电弧气刨、焊接 等过程不可避免对材料产生影响，可能加速材料劣化；另一 方面不必要的返修和更换会造成巨大的经济损失。
实践证明，并非所有超标缺陷都会导致压力容器失效。若 能对缺陷加以区分，进行必要的分析评定，消除那些具有潜 在危险的缺陷，而保留对安全没有威胁的缺陷，则能在保证 安全的基础上，节省大量资源和成本。
线弹性断裂力学
弹塑性断裂力学
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.1 线弹性断裂力学基本理论
A rθ 2a
xx
a 2 r
cos ( )[1 s i n( ) s i n(3
2
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)]
yy
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cos ( )[1 s i n( ) s i n(3
2
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xy
a 2 r
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2
2
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(平 面 应 变)
0
(平 面 应 力)
KI a
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.1 线弹性断裂力学基本理论
A rθ 2a
KI a
实践证明，随着载荷的增大，应力强度因子 随之增大。当应力强度因子增大到一定程度 后，裂纹会突然失稳扩展，直至断裂。 把裂纹失稳时的应力强度因子称为临界应力 强度因子KIC，又叫断裂韧性。其大小与试 件厚度及裂纹尺寸无关。若KI<KIC，裂纹不 会失稳破坏，称为K判据
J积分定义：从裂纹下表面出发，逆时针方向围 绕裂纹尖端取回路Γ终于裂纹上表面，则
J (dy T
u ds) x
式中： ω—应变能密度；
T —作用在积分周界上的力
u ——积分周界上的位移矢量；
ds—积分周界微元场。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.3 弹塑性断裂力学基本理论
11.1.3 焊接缺陷
（1）外观缺陷 （2）埋藏缺陷 （3）组织和成分缺陷
（a）表面裂纹（b）焊瘤（c）烧穿（d）弧坑 图11-2焊接外观缺陷示意图
wenku.baidu.com
（a）裂纹 （b）未熔合 （c）未焊透 （d）夹渣 图11-3埋藏缺陷示意图
11.2 含缺陷压力容器的“合乎使用” 原则
检测
对含缺陷的压力容器，工程界提出了基于
带裂纹构件，当受到外加应力σ作用后裂纹张开， 裂纹尖端产生塑性变形，裂纹尖端有张开位移和 钝化区。在原裂纹尖端处塑性变形大小称为裂纹 尖端张开位移δ。外加应力增大，则δ也随之增 大，当σ大到足以使裂纹开裂前的δ为临界张开 位移δc。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
弹塑性断裂力学首先要解决的问题，就是如何在弹塑性或非线性条 件下，确定一个像线弹性断裂力学中应力强度因子K那样的参量，既能 定量描述含裂纹体的应力、应变场强度，又能用简易方法进行实验测定 并能用理论估算的场参量。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
“合乎使用”（Fitness for Service）原则
缺陷特征
的压力容器安全评定方法。由无损检测发现的 压力容器缺陷，经过严格的理论分析与计算， 如果确认不致发生断裂或失稳破坏，且还有足 够的安全裕度，则可认为是安全、可接受的。 对这种不符合设计制造规范的缺陷予以保留， 且投用后既不引起危险，又能保持容器完整性 的缺陷处理原则，称为“合乎使用”原则。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
11.3.2 弹塑性断裂力学基本理论
对高韧材料，结构中出现裂纹或裂纹扩展之前，裂纹尖端已经存在 着较大的塑性区域。屈服区的存在将改变裂纹尖端应力场的性质，当裂 纹尖端塑性区尺寸接近或超过裂纹尺寸时，线弹性断裂力学的理论不再 适用于这种情况，就需用弹塑性断裂力学的理论来研究。
断裂力学不再单纯使用传统设计中的应力作为评价的标准，而使用表征裂纹尖 端附近应力场的断裂参量来建立断裂判据。断裂力学的诞生，并没有取代传统 的强度设计方法，而是它的一个补充，它重点处理宏观缺陷扩展所引起的结构 失效问题。
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
断裂力学的基本研究内容包括：① 裂纹的起裂条件；② 裂纹在外部 载荷和其他因素作用下的扩展过程；③ 裂纹扩展到什么程度物体会发生断 裂。另外，为了工程方面的需要，还研究含裂纹的结构在什么条件下破坏； 在一定载荷下，可允许结构含有多大裂纹；在结构裂纹和结构工作条件一定 的情况下，结构还有多长寿命等。
11.1 压力容器缺陷形式
11.1.1 板材缺陷
（1）非金属夹杂 （2）化学成分及组织结构不合格 （3）裂纹 （4）表面缺陷 （5）加工成形缺陷 （6）热处理缺陷
11.1 压力容器缺陷形式
11.1.2 锻件缺陷
（1）非金属夹杂物 （2）夹渣 （3）龟裂 （4）锻造裂纹 （5）褶皱
11.1 压力容器缺陷形式
依据标准及 规范判据
可接受
运行
否
返修更换
巨大 浪费
适 评价分析 用
性
评 价
可接受的判据
可接受
运行
显著
经济 效益
否
返修或更换
11.3 安全评定的理论基础——断裂力学基 本理论
传统的设计以材料的均匀性、连续性假设为前提，强度条件是最大计算应力 小于许用应力。但是现实中大量使用的焊接材料，会存在各种各样的缺陷。 在断裂力学中，常把这些缺陷均简化并统称为“裂纹”。裂纹处会产生高度 的应力集中，应力在裂纹尖端有奇异性。因此在裂纹尖端无法用应力分量来 度量裂纹的危险程度。传统的设计方法不再适用。