国外压力容器和工业结构缺陷评定规范的新进展一.doc

国外压力容器和工业结构缺陷评定规范的新进展一
本文介绍最近四年来国际上结构完整性评定技术的发展，主要集中在近年来世界各国有关规范的发展与变化，作为1992年及1997年在第三届和第四届全国压力容器学术会议专题报告"压力容器缺陷评定规程的发展趋势"[1]及"压力容器及管道断裂评定技术研究进展"[2]的续篇。，因此无论CDF法和FAD法形式上有所不同，但实质是一样的。所以这里只介绍SINTAP的7个级别及其失效评定曲线。
1.1.1 第0级〔default level〕
在仅可得到材料 值和AKV值时使用。
〔1〕无屈服平台的连续屈服材料的失效评定曲线为：
〔1〕
材料的断裂韧度是按AKV值估算的,计算中所必需的抗拉强度 是由屈服强度 保守估算的，即：
〔2〕
〔2〕有屈服平台材料时或者不能排除材料不具有屈服平台时，用式〔3〕表示的失效评定曲线：
〔3〕 且Lrmax取1。
1.1.2 第1级〔Basic level〕
用于可获得材料 , 的值，及断裂韧度值Kmat的状况。如有焊缝存在，其强度不匹配程度应小于10%。
〔1〕有屈服平台材料的失效评定曲线，分为三段表述。
在Lr=1处: 有一陡降直线段。从上式在Lr=1时的值直线下降至： 〔4〕
式中 〔5〕 为屈服平台长度，可按式〔6〕作保守的估算： 〔6〕
在Lr>1处: 取德国ETM[6]的成果
〔7〕
式中，N为应变硬化指数，可按下式估算：

这是依据19种材料数据整理得到的下边界值，实际的N值可能为上式计算值的1至5倍，所以Lr>1处的f(Lr)是非常保守的。规定Lrmax取值为 　
〔2〕无屈服平台材料的失效评定曲线，也分三段表述
在Lr 〔9〕
式中系数μ可由 值估算:
〔10〕
在Lr≥1处:
在Lr=1处有一垂直下降线直至Lr(1)。在Lr>1时为曲线，仍采纳式〔7〕计算f(Lr)，但Lr=1时的Lr(1)值用式Lr=1时的Lr(1)值用式〔9〕计算，并用式〔8〕估算N 。
1.1.3第2级〔mismatch level〕
和第1级相似，使用条件是要能获得材料力学性能和断裂韧度。用于焊缝强度不匹配程度超过10%的场合，这时它必必需要知道母材和焊缝两者的拉伸力学性能。因而分三种状况，分述如下：
〔1〕母材及焊缝两种材料均无屈服平台时〔第一种状况〕
仍可应用第1级中的无屈服平台时的失效评定曲线三段表达式，但式〔9〕及式〔8〕中的μ值和N值应改用不匹配时的值μM和ＮM，不匹配焊缝接头的取μM,决于母材及焊缝的μ值和 ，不匹配焊缝接头的塑性屈服载荷FyM。以及假设这一元件没有焊缝完全是母材时的塑性屈服载荷FyB。定义焊缝屈服强度 与母材屈服强度 之比值M为强度不匹配因子，则：
〔11〕
式中：
〔12〕 〔13〕
不匹配焊接接头的NM可由式〔14〕求得：
〔14〕
式中：
〔15〕
〔16〕
(17)
〔2〕焊缝及母材均具有屈服平台时〔第二种状况〕
仍可应用第1级中有屈服平台时的失效评定曲线，也分三段，即式〔3〕、〔4〕、〔7〕，但式〔4〕中的λ应用λM 代替，式〔7〕中的N用NM代替。
〔18〕
式中：
〔19〕 (20)
截止线Lrmax值仍按式〔17〕计算。
〔3〕 焊缝或母材之一具有屈服平台时〔第三种状况〕
在Lr 〔21〕
在Lr=1处: 按第二种状况具有屈服平台材料时的办法保守地取得较低的f(1)值，将无屈服平台的那个材料的λ取为0，例如母材具有屈服平台，f(1)计算时所用的计算式λM〔式18〕改为：
(22)
式中，λB按式〔20〕计算。
在Lr>1处: 按第二种状况一样的办法对待。
1.1.4 第3级〔stress-strain level〕
这一方法要求可获得材料的关系曲线 以求得f(Lr)，当然也必需要知道材料的断裂韧度值才能进行评定。第3级不仅能计算焊缝基本匹配的状况，也可以用于不匹配焊缝的评定。
在不涉及焊缝时或焊缝基本匹配时采纳R6第3版的选择2曲线，即：
(23)
式中， 为在材料单向拉伸 关系曲线上与 相对应的应变值。
在强度不匹配焊缝时也用式〔23〕，但 值的计算均应采纳母材与焊缝组成的含缺陷元件的当量 关系曲线，它是依据塑性极限载荷相等的原则求得的,当然和母材 关系、焊缝的 关系、不匹配因子M及FyM及FyB有关。 的塑性部分〔塑性应变 的关系 为：
(24)
式中 是指在设定的任一塑性应变量εP时，当量 关系曲线上、焊缝 关系曲线上及母材 关系曲线上的应力值，所以 就是当量的 关系。因 从而可得到当量材料的关系。应该指出的是这里的不匹配因子M值并不是1.1.3节中的M值，而是在不同塑性应变量εP时的不匹配因子M(εP)，不是材料常数与εP的大小有关。只有当两种材料 关系形状完全相似时，M(εP)才有可能是常数。
(25)
并且式〔24〕中的FyM/FyB值也应该是在这些M(εP)下的值。这时当量屈服应力 当量流变应力 及Lrmax分别定义为：
(26)
(27)
(28)
这里 为两种材料流变应力相应的两个塑性应变中较低者的值。 相应的流变应力计算的FyM及 值。
1.1.5 第4级〔constraint level〕
本级别的评定是依据裂尖拘束度的具体状况估算材料实际断裂韧度来进行评定。按断裂韧度标准测试方法测试试件必必需要有足够尺寸以保证获得最低的平面应变断裂韧度值，而实际工程元件缺陷往往是很浅的，只有较低的拘束度，显然如能按实际拘束度的断裂韧度来进行评定可以降低评定的过保守度，但是要求有附加的测试数据。
这是在著名的J-Q理论基础上发展起来的一种方法。引入了无因次拘束参量β以描述裂尖静水应力Q。或用平行裂痕的弹性应力T作为来描述β参量。评按时FAD及Kr的计算均要作相应的修正，由于篇幅有限，这里就不作进一步地介绍了。
1.1.6 第5级〔J-integral analysis〕
要求已知材料应力应变关系曲线以计算J积分，可以是没有焊缝的结构，也可以是不匹配焊缝〔这时要求焊缝及母材的应力应变关系都已知〕，实际上就是严格有限元计算解。实际上第5级只被用来作为验证各低级方法的工具，并不是适用于工程评定的方法。严格的有限元计算J积分已为大家熟知，SINTAP也没有作具体介绍。
1.1.7 第6级〔LBB〕
部分穿透的表面裂痕可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂痕引起泄漏，但仍然可能处于稳定状态，这就是LBB状态。SINTAP提供了一个新的估算裂痕扩展过程中缺陷形状变化的估算方法。由于穿透前或穿透后裂痕会不会撕裂失稳的评定过程和R6第3版相同，不过是依据具体状况选用前面几级中的某一失效评定曲线进行评定，因此这里也不再作具体介绍了。
1.2 SINTAP规程新发展的一些细节
SINTAP第2章提供了评定所必需输入数据及计算方法。第3章提供了各级分析方法选择的导则和应力强度因子解、塑性极限载荷解及残余应力分布等。第4章给出了一些其它评定方法和标准方法的补充说明。值得一提的是：
(1) 在缺乏材料具体的应力应变关系数据时，SINTAP通过大量钢材性能研究提供了材料应变硬化性能、屈强比及屈服平台〔Luders 应变〕的估算方法。这些方法可用以改善式〔9〕的f(Lr)以降低评定过保守度。
(2)在大量断裂韧度测试的统计处理后，近一步发展了ASTME 1921-97的所谓Master曲线，SINTAP提出了由AKV估算铁素体钢解理断裂区断裂韧度下限值的方法。这一方法也已被R6第4版及BS7910所采纳。华东理工大学博士生秦江阳在20号钢韧脆转变温度曲线的大量数据研究说明AKV和启裂断裂韧度Ji之间不存在明确的简单的数学关系；刘长军在其博士论文中用该收集到的实测材料数据考核美国短裂痕研究计划中由管材AKV求JIC下限值得推举方法，也证实了AKV-JIC的关系图上数据十分分散。但鉴于实际工程评定中一般都不可能取样测得材料的断裂韧度，下限值的估算还是很有实际意义的，但应该熟悉到估算的断裂韧度值可能十分保守，有时甚至只有实际值的五分之一左右。SINTAP的方法值得我们进一步工作的关注。
3)SINTAP提供了一个无损检测技术可靠性导则。提出了在失效模式为塑性极限载荷控制〔而不是断裂控制〕时的缺陷群互相干涉效应的导则。
(3)SINTAP提供了一个无损检测技术可靠性导则。提出了在失效模式为塑性极限载荷控制〔而不是断裂控制〕时的缺陷群互相干涉效应的导则。
(4)二次应力的处理中不仅采纳了R6的新ρ因子法，同时还给出了另一方法，二次应力的影响用V因子表示，即：
(29)
V因子可能是大于1，也可能小于1〔进一步细节可参照J.Strain Anal.2000;35;307-16〕。
(6)增补了大量应力强度因子解，例如在一次和二次应力时简体表面裂痕的应力强度因子解。提供了大量不匹配焊缝结构的极限载荷解。
(7)SINTAP给出了可靠性评定方法及其相应软件PROSINTAP，采纳Monte Carlo数学模拟及近似的一阶可靠性过程〔approximate first order reliability routines〕。
(8) SINTAP对所提出的方法作了大量的验证工作。