針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法
【專利摘要】本發(fā)明針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，包含以下步驟：⑴對長期工作的承壓結(jié)構(gòu)建立彈塑性本構(gòu)模型，用以預(yù)測所述承壓結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)，為估算其承載極限做準(zhǔn)備；⑵運(yùn)用有限元分析方法研究帶各種凹坑及局部減薄缺陷的承壓結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓或彎矩載荷作用下塑性區(qū)域的擴(kuò)展過程和失效模式，研究各種凹坑及局部減薄所致的不同蠕變損傷對承壓結(jié)構(gòu)承載極限的影響，定量地算出承壓結(jié)構(gòu)的承載極限值；⑶確定安全評定步驟，對含有蠕變損傷和/或體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估。本發(fā)明首次將蠕變損傷與體積型缺陷尺寸的影響緊密結(jié)合，制定出適合高溫高壓下長期工作的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定標(biāo)準(zhǔn)，具有明確的物理意義，適合在工程中使用。
【專利說明】針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高溫承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，特別是涉及蠕變損傷、體積型缺陷的長期服役后的高溫承壓結(jié)構(gòu)的安全評定的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力、石化、核能及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中高溫高壓的工藝被廣泛采用。在高溫高壓條件下長期工作的承壓結(jié)構(gòu)不可避免地會產(chǎn)生蠕變損傷，加之在制造和工作過程中承壓結(jié)構(gòu)常常會產(chǎn)生夾渣、凹坑、減薄等體積型缺陷，這些蠕變損傷和體積型缺陷會削弱承壓結(jié)構(gòu)的承載極限，會給設(shè)備帶來安全隱患，甚至可能造成泄漏、爆炸等事故。能在高溫高壓條件下運(yùn)行的設(shè)備一般價格較高，出于對安全的考慮，人們對于存在缺陷或者安全隱患的設(shè)備一般不會再用，或維修或報廢，這就會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何科學(xué)、準(zhǔn)確地對高溫高壓條件下運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行安全評定和及時合理的維修，排出安全隱患，預(yù)防事故發(fā)生，就成為業(yè)界亟待解決的問題。
[0003]對可能存在蠕變損傷或體積型缺陷的高溫高壓設(shè)備進(jìn)行安全評定和分析的一個重要內(nèi)容是對結(jié)構(gòu)承載極限的分析。通過承載極限的分析，可以確定高溫高壓設(shè)備在外載荷下的極限承載能力。目前，人們一般認(rèn)為:當(dāng)結(jié)構(gòu)中的一點(diǎn)或者局部發(fā)生屈服的時候，并不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的破壞，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生整體垮塌時，才失去承載能力。就目前的安全評定標(biāo)準(zhǔn)而言，國外現(xiàn)有的一些針對體積型缺陷的壓力容器安全評定標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮高溫的工況，對于缺陷的規(guī)定容限總體上過于保守，在某些情況下又顯得不夠安全。我國《在用含缺陷壓力容器安全評定》(GB/T19624-2004)未涉及高溫下結(jié)構(gòu)的蠕變損傷機(jī)制，沒有考慮由于蠕變損傷對結(jié)構(gòu)承載極限的影響。因此，目前的安全評定標(biāo)準(zhǔn)似乎都不適合用于對涉及蠕變損傷、體積型缺陷的高溫結(jié)構(gòu)的安全評定。
[0004]在我國，已有多項專利公開了對高溫高壓設(shè)備進(jìn)行安全評定的方法，如中國專利CN201010130569 “受內(nèi)彎扭復(fù)雜載荷的含未焊透缺陷壓力管道安全控制法”、CN201010507537 “含裂紋類缺陷承壓設(shè)備的安全評定方法”、CN200810162026 “含未焊透缺陷的壓力管道安全評定方法”，但是，這些專利文獻(xiàn)多研究的是平面缺陷，未考慮高溫蠕變損傷的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，可對高溫高壓下長期工作的承壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評定；并且……
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案。
[0007]—種針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征是，包含以下步驟:
[0008](I)對長期工作的承壓結(jié)構(gòu)建立彈塑性本構(gòu)模型，用以預(yù)測所述承壓結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)；在本步驟中，基于Ramberg-Osgood模型構(gòu)建一個稱合材料各向同性的螺變損傷的彈塑性本構(gòu)模型，將所述承壓結(jié)構(gòu)所受到的蠕變損傷耦合到彈塑性本構(gòu)模型中，預(yù)測長期服役后的承壓結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)，進(jìn)而為估算其承載極限做準(zhǔn)備；
[0009](2)在步驟(1)的基礎(chǔ)上，得到含有蠕變損傷材料的力學(xué)特性，運(yùn)用有限元分析方法，研究帶各種形狀、尺寸的凹坑及局部減薄缺陷的承壓結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓或彎矩載荷作用下塑性區(qū)域的擴(kuò)展過程和失效模式，研究各種凹坑及局部減薄缺陷所致的不同蠕變損傷對所述承壓結(jié)構(gòu)承載極限的影響，定量地算出所述承壓結(jié)構(gòu)的承載極限值；
[0010](3)根據(jù)步驟(2)有限元的分析和計算結(jié)果及擬合公式，確定安全評定步驟，對含有蠕變損傷和/或體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估，從而評估該承壓結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。
[0011]進(jìn)一步，步驟(1)所述彈塑性本構(gòu)模型的構(gòu)建方法為:
[0012](I)不考慮氧化、腐蝕等環(huán)境因素的影響，從微觀組織的角度分析，所述蠕變損傷受三種因素的綜合影響:粒子粗化、固溶元素貧化以及微空洞形核長大；
[0013]設(shè):
[0014]由粒子粗化導(dǎo)致的蠕變損傷為Dp ；
[0015]由固溶元素貧化導(dǎo)致的蠕變損傷為Ds ；
[0016]由微空洞形核長大導(dǎo)致的蠕變損傷為Dn ；
[0017]Dp的損傷速率為:
[0018]
【權(quán)利要求】
1.針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征在于，包含以下步驟: (1) 對長期工作的承壓結(jié)構(gòu)建立彈塑性本構(gòu)模型，用以預(yù)測所述承壓結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)；在本步驟中，基于Ramberg-Osgood模型構(gòu)建一個稱合材料各向同性的螺變損傷的彈塑性本構(gòu)模型，將所述承壓結(jié)構(gòu)所受到的蠕變損傷耦合到彈塑性本構(gòu)模型中，預(yù)測長期服役后的承壓結(jié)構(gòu)的彈塑性響應(yīng)，進(jìn)而為估算其承載極限做準(zhǔn)備； (2)在步驟(1)的基礎(chǔ)上，得到含有蠕變損傷材料的力學(xué)特性，運(yùn)用有限元分析方法，研究帶各種形狀、尺寸的凹坑及局部減薄缺陷的承壓結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓或彎矩載荷作用下塑性區(qū)域的擴(kuò)展過程和失效模式，研究各種凹坑及局部減薄缺陷所致的不同蠕變損傷對所述承壓結(jié)構(gòu)承載極限的影響，定量地算出所述承壓結(jié)構(gòu)的承載極限值； (3)根據(jù)步驟(2)有限元的分析和計算結(jié)果及擬合公式，確定安全評定步驟，對含有蠕變損傷和/或體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評估，從而評估該承壓結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征在于，步驟(1)所述彈塑性本構(gòu)模型的構(gòu)建方法為: (1)不考慮氧化、腐蝕等環(huán)境因素的影響，從微觀組織的角度分析，所述蠕變損傷受三種因素的綜合影響:粒子粗化、固溶元素貧化以及微空洞形核長大； 設(shè): 由粒子粗化導(dǎo)致的蠕變損傷為Dp ； 由固溶元素貧化導(dǎo)致的蠕變損傷為Ds ； 由微空洞形核長大導(dǎo)致的蠕變損傷為Dn ； Dp的損傷速率為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征在于，根據(jù)所述推導(dǎo)出的公式(1-1)到(1-4)，得出蠕變時間與損傷的關(guān)系圖；若已知某材料蠕變的時間，則可推算出其總損傷量D，將D帶入公式(1-6)，得出這一蠕變損傷下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖；根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖即可求得彈性模量，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度以及對應(yīng)的應(yīng)變等，將這些參數(shù)帶入有限元軟件，對各種形狀尺寸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，得到結(jié)構(gòu)的載荷位移曲線，進(jìn)而求出結(jié)構(gòu)的極限載荷。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征在于，步驟(2)所述的有限元分析方法是指基于增量有限元理論的分析方法，所述方法注重載荷加載過程，能關(guān)注到加載過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變場的變化；其確定極限載荷的原理是:在有限元分析中將載荷不再增大或者有微量增大而位移或應(yīng)變增量很大時的載荷確定為極限載荷，其步驟包括: ①載荷加載采用自動步長，迭代至有限元計算發(fā)散為止； ②通過已加載到發(fā)散的步長，得到對應(yīng)的總得加載步長，然后確定發(fā)散時加載的載荷值； ③分析重點(diǎn)部位的加載步和應(yīng)變的關(guān)系，通過載荷-位移曲線，確定結(jié)構(gòu)的極限載荷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對蠕變損傷及體積型缺陷的承壓結(jié)構(gòu)的安全評定方法，其特征在于，步驟(3)所述的安全評估包括: ①對含凹坑的承壓結(jié)構(gòu)的極限載荷的評估 I、參數(shù)的無量綱化 設(shè):缺陷尺寸的無量綱參數(shù)為gO，其表達(dá)式為

【文檔編號】G06F19/00GK103995957SQ201410156138
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】王寧, 涂善東, 劉洪起 申請人:華東理工大學(xué)