断裂韧度测试标准对压力容器缺陷安全评定的影响

关鹏涛 何通东 王 斌 高文辉 屠友松

（宁波市特种设备检验研究院）

符号说明

a——平面缺陷规则化后的表征裂纹尺寸，mm；

B——评定用壳体计算厚度，mm；

c——表征椭圆埋藏裂纹或半椭圆埋藏表面裂纹在沿壳体表面方向的半长，mm；

fb——计算由薄膜应力σB引起的裂纹尺寸a或c方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的裂纹构形因子；

fm——计算由薄膜应力σm引起的裂纹尺寸a或c方向裂纹尖端处应力强度因子时所用的裂纹构形因子；

G——相邻裂纹间弹塑性干涉效应系数；

KⅠ——Ⅰ型应力强度因子，N/mm1.5；

KP——平面缺陷常规评定中考虑了分安全系数后，以应力强度因子表示的材料断裂韧度，N/mm1.5；

KPⅠ——一次应力引起的应力强度因子，N/mm1.5；

KSⅠ——二次应力引起的应力强度因子，N/mm1.5；

Pb——一次弯曲应力，MPa；

Pm——一次薄膜应力，MPa；

Qb——二次弯曲应力，MPa；

Qm——二次薄膜应力，MPa；

ρ——平面缺陷常规评定中计算二次应力的塑性修正因子；

Ψ1——平面缺陷常规评定中，为计算Kr所涉及的塑性修正因子ρ时的中间参量。

压力容器在制造安装和使用过程中会产生许多缺陷，但并非所有的缺陷都会出现设备失效。通过安全评定对所含缺陷做以断裂力学为基础的理论分析，确定缺陷及其发展程度是否具有危险性。对于不会造成设备失效的缺陷可以允许存在；对于本身不会造成失效但可能会进一步发展的缺陷，可以允许设备在监控下使用或者降级使用；对于会造成设备失效的缺陷，应当对缺陷进行消除或修理，无修理价值的设备应当予以报废处理。

目前，压力容器缺陷的安全评定参照GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》［1］执行，评定中涉及到断裂韧度的选用，该标准指出表征断裂韧度的参量——J积分的试验按照GB/T 21143—2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》［2］进行，而GB/T 21143—2014是参照ISO 12135—2002《Metallic Materials-Unified Method of Test for the Determination of Quasistatic Fracture Toughness》［3］制定。关鹏涛等在ASTM和ISO标准断裂韧度测试方法研究中提出了J积分的测定可以根据材料应力应变特性来选择合适的试验标准，对于带屈服平台的材料可选用ASTM E1820—2011《Standard Test Methods for Measure ment of Fracture Toughness》［4］，不带屈服平台的材料可选用ISO 12135—2002［5］。为此，笔者研究ASTM和ISO两个断裂韧度测试标准测定得到的J积分差异性对设备缺陷评定结果的影响并给出建议，为不同材料选择合适J积分提供理论依据。

1 设备概况

某公司于2016年1月22日投用一台立式缓冲罐，设备规格ϕ600 mm×6.0 mm，材料Q345R，材料属性见表1，设计压力0.88 MPa，设计温度80℃，介质为氮氢混合气体（易爆），于2019年1月进行首次定期检验，经射线检测发现该容器上环焊缝存在未熔合缺陷，缺陷长度L=160 mm、高度为1.5 mm，按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》［6］规定，该缺陷的安全状况等级为4级，不满足容器的安全使用要求。

表1 Q345R的材料属性

2 失效评定

按照GB/T 19624—2019对立式缓冲罐的缺陷进行安全评定，评定方法选用常规评定——通用失效评定图完成。首先需要对缺陷进行表征，缺陷表征尺寸安全系数选1.10，材料断裂韧度分安全系数取1.20，一次应力分安全系数取1.25，二次应力分安全系数取1.00。该缺陷规则化为a=1.50 mm、c=80 mm的半椭圆表面裂纹，缺陷表征半椭圆表面裂纹尺寸为a=1.65 mm、c=88 mm。

采用ANSYS软件对缓冲罐缺陷部位进行应力分析，由于该设备为轴对称结构，模型可简化为二维模型的1/4，分析结果如图1所示，应力强度最大的部位与最小的部位比较接近，应力强度最大值不在缺陷部位。

图1 设备应力强度分布云图

图2 厚度方向应力强度线性化曲线

对于半椭圆表面裂纹，根据GB/T 19624—2019，载荷比参量Lr和断裂比参量Kr的计算式分别为：

图3 通用失效评定图

3 对比讨论

GB/T 19624—2019规定J积分的试验过程均按GB/T 21143—2014进行，而GB/T 21143—2014是参照ISO 12135—2002制定的，按照该思路对上述缺陷重新评定，根据以上计算公式，J积分的变化不会影响Lr的结果，却导致评定用断裂韧度KP的变化，进而影响断裂比参量Kr的结果。关鹏涛等按ASTM和ISO标准断裂韧度测试方法得到Q345R的J积分分别为［5］：235.29 kJ/m2和179.37 kJ/m2。评定用断裂韧度KP与断裂比参量Kr的数值见表2。

表2 评定用的各参数值

由表2可知，根据两个标准获得的J积分，最终评定的数据点均在非安全区域内，对评定结果无影响。但两者仍有差异，按ISO标准获得的断裂比参量Kr高于按ASTM标准获得的Kr，两者相差13%左右，即按ISO标准获得的J积分评定结果是偏于保守的。

图4 两种断裂韧度值对应的断裂比参量K r与缺陷深度a的关系

图5 Q345R应力应变曲线与理想弹塑性模型对比

4 结论

4.1 按GB/T 19624—2019安全评定缓冲罐缺陷时，数据点落在非安全区域内，该缺陷不满足压力容器的安全使用要求。

4.2 按ISO标准获得的断裂比参量Kr高于按ASTM标准获得的Kr，按ISO标准获得的J积分评定结果偏于保守。

4.4 两种断裂韧度（J积分）测试标准的差异性对评定结果在一定的缺陷尺寸范围内有影响，但对超出该范围的评定结果不会产生影响。