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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/管直技术 与设 备年左佗乙二乙二心二之佗杏之佗之之之,之之之佗一叹 吠吠伙佗否伏叹吠心议伙卜八启八启俗 压力管道先漏后爆理论的 进展与需解决的问题周剑秋沈士明教授南京化工 大学化工机械 亲南京市。 。摘要针对自年代以来众多的先 漏后爆准则进行 了分析回顾,得出等人提出的评 定图是具 有普遍意义的评定 方 法。基于工程应用的考虑,提出 和分析了必须解决的技术问题。叙词压力管道先漏后爆工程应 用全面考虑介质的腐蚀和高温以
2、及冲击载荷的影响,而上述 因素均可能引起裂纹 启裂。故建议在化工管道中也应满足 先漏后爆条件,它 不失为管道安全防爆的最后防线。二、先漏后爆理论的发展含日 一、月吕先漏后爆理论首先是在国外核电厂普及的情况下发 展起来。由于压 力管道的制造特点,管道 中必 然存在 大量 的焊 缝 结 构,有焊缝必然就有缺陷存在。虽经过无损检测,满足制造标准的要求,但 在 焊 缝 中必然留下漏 检和仪器检不 出的缺陷。表面裂纹是在压 力管道 中常见的一种缺陷,它的存 在 引起管道 的失 效主要有 两 种形式,即爆 破和先漏后爆。先漏 后爆 指的是表面裂纹穿透壁厚可以是厚度 方向的失稳穿透,内部流体发 生 泄 漏,
3、但壁 面 方 向裂纹 长度 仍 有足够的安全裕度,以利检测泄漏并及时停工,避 免了由于快速 整体破坏 而 引起 的灾难性事故。该理论在 国外已经过了将近年的研究,美国已把研究的局部穿透失 稳和临界长度理 论用在核动力工厂的高 能 管 道 上所 谓 高 能 管道 就 是压 力超 过或 温 度 超 过下的管道。我国国 内研 究刚开始起步,报导很少。不 少学者认 为核管道 中泄漏的是 蒸汽,而化工管道中大都是 易燃、有毒等物质,一旦泄漏比较 危险,故不易采用先漏后爆技术,而应 当采用以裂 纹 启裂作 为管道判废 的标 准。但也应该看到目前我国最新 规 范 中关于裂 纹 启裂 的标准都是 基于力学 实
4、验 的基础 上获得的,没 有未爆先漏先漏后爆最早是 由卜等于。年代提 出的川。该准则假定表面裂纹穿透 时为近似半圆形,即形成总长为两倍壁厚 的穿透裂纹。同时,又假设表面裂纹穿透壁厚时的远场应 力为材料的屈服应 力。,。从而 获得先漏后爆的条件 穿透裂纹止裂为、。、丫二,式 中塑性区修正一护。圣因。一。,所以二。先漏后爆条件可以重新写为于城一, 十因为穿透裂纹的形状大 多呈 圆形或趋 圆化。,并且使裂纹发生穿透的应 力大多是 在 较高 的 水 平 下,所以提 出的 假设在 当时有一 定的预先性和合理性但它 不适 合浅 长型表面裂纹和深短型表面裂 纹 的评 定,且载荷限制大,更重要 的是,以止裂的
5、方式评判显得保守。类似于上述准则的有提 出裂纹穿透 时 的长度必须控制在两 倍壁厚以内,显然该 准则也是保守的。闭提 出先漏后爆的条件是一倍壁厚承受最 大环向力的穿透裂纹必须稳 定因为倍壁厚长的半椭圆裂纹是在失效部位所观察到的最典型的几 何形 状。显然,该准 则也是缺乏一定理论依据的。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/第期管道 技术与设 备经过多年的管道实验研究,年代产生了一个较为一致 的结论 ,若容器表面裂纹韧带失稳压 力,低于相应穿透裂纹等长度的
6、临界脆断压 力,则能发生先漏后破行为 若容器表面裂纹韧带失稳压 力,等于或大于相应穿透裂纹等长度的临界脆 断压 力,则容器爆破失效。这个结论建立在全尺寸管道试验和相同裂纹不同裂纹深度的模拟容器的准静态爆破试验结果上,具有相当的合理性,比上述几个准则大大进了一步。在理论上也和先漏后爆概念相一致。在和能准确求取的基础上,已具备对先漏后破行为能否发生进行评判的条件。基于工程评判的需要,印等人于年提出了一个先进方便 的先漏后爆评判图如图,该 图横坐标为裂纹半长,纵坐标表示裂纹深度以深度对壁厚的比值“表示。图中曲线为韧带失稳线,它是在一定载荷下通常为管道或容器 承受 的最大载荷,根据韧带极限破坏理论进行
7、计算得到的图中直线为同一载荷下的临界穿透裂纹长度线,即表面裂纹长度不能超过这一长度,否则不能产生先漏后爆行为,是危险的。这样,我们从图上就得到三个区安全区、泄漏区、爆破区。尺寸位于安全区的缺陷不会发生失效事故,如其中某一点经裂纹扩展至点进入泄漏区,则构件以泄漏形式失效若扩展到进入爆破区,则构件以爆破形式失效。该评判图比其它评判准则具有更普遍的意义,它可以分析研究表面裂纹从启裂、扩展到穿透壁厚的整个断裂过程和疲劳、准静态等不同扩展机理。另外,确定韧带失稳线和临界长度线的理论也比较成熟,在这方面,国外已进行了大量的实验和研究,得出了和实验结果非常吻合的一系列公式。所以该评判图是方便的、适合工程评判
8、的评判图。三、工程应 用中需解决的问题先漏后破评判图的改造到目前 为止,所有 的先漏后爆准 则包括先漏后爆 评判图还只是 一种静态评判,即只能对一定尺寸的缺陷进行失效形式的判断。然而,作者认为,先漏后爆准则不是以裂 纹 启裂 作 为评判 依据的,裂纹是允许扩展的,现有的先漏后爆准则还无法对管道含某一尺寸位于安全区的裂纹经扩展后以什么样的形式失效作 出预测。事实上,在工 程应 用中必须对某一定尺寸 的裂纹经扩 展后管道以什么样的形式失效 作 出预 测,在工厂里不可能对管道裂纹进行频 繁 的检 测。另外,带裂纹操作的安全感也必须得到保证。所以必须对现有的最先进方便的先漏后爆评判 图进行改造以适合工
9、程应用。目前,许多国家包括英 国中央电 力局都在努力改造先 漏后爆评 判图,但还没有成果报道。作者初步设想的经改造的先漏后爆评判 图见图。与图相比,多了一条曲线其 中为裂纹韧带失稳线和裂纹临界长度 线 的 交 点,区为真正的安 全区,含尺 寸位于安全区内的裂纹的管道 经裂纹扩展后只能以泄漏形 式失效,而尺寸位于内的裂纹经扩展后只能进入内,位于该区内的裂纹因为其 长度大于临界裂纹 长度,裂纹穿透和管道爆破将同时发生,所以是危险的。在这儿应统称为危险区,一旦在检测 中发现裂纹处于该区内,应将管道 或设 备判废。在图的设 想中,线 尚需根据 具体载 荷条件和裂纹扩展特点研究确定并加以实验验证。伙伙粉
10、粉安安全 区乙仁一一爆 破区区临临临 界裂纹长度度一一井户户韧带失稳线图先 漏后爆 评判图图改 造后 的先 漏后爆评 判图泄漏的计算和检测泄漏率 的计算目前现有的关于泄漏率的的计算理 论还比较保守,在 先漏后爆理论的工程应用中需精确计算裂纹长度和泄漏率的 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/管 亘技术与设 备年关系。原因见。这 是一项涉及多学科的复杂问题。需要 知道裂纹张开位 移、裂纹表面粗糙度考虑摩擦 损失、穿透裂纹在垂直径 向上的截面积变化等,通过
11、流体 力学理论 求得。泄漏 的检测检测泄漏 的方式不 同,精度也不 同,必 须 根 据现有的条 件得到最小可 测检漏率。利 用中提到的泄漏率和裂纹长度的精确关系,计算出此时的穿透裂纹相应 长度通过与先 漏 后爆评 判 图 中的临 界裂 纹 长 度 相比较,得 出先 漏 后爆 理 论 能否在现有的检漏 条件下应用。临界裂纹长度的确 定目前有关临界裂纹长度确定的文献大都用流变理论导出了带穿透裂纹管道的极限载荷公式,但在实际的工程应用中,尚需考虑以下两点泄 漏爆 破 时 间在 实际 的工程应 用中,只有 泄 漏爆 破 时 间大于发现泄漏 后停 车所需时间,才能保证 先漏后爆理 论的有效性。所以即使裂
12、纹在 临界 长度下穿透 而 泄漏,仍 需保证泄 漏一爆 破 有 个最 短 时 间,该 最短 时 间不能短于发现 泄漏然后停车所需的时间。泄漏一爆破 时间又取 决于裂纹的扩展速 率,所以必须根据 裂纹在这个最短 时 间 内的裂纹扩展量来 给临界裂纹长度 加一安全系数。地震等 冲击载 荷 的影响绝大 多 数管道设 备在工程应用中都要考虑地震等冲击载荷的影响,在先漏 后爆 的理 论 中 考虑冲击载荷的影 响,集 中反 映 在 对临 界裂 纹 长度 取一个安全系数。材料性能的变化材料性 能尤其是 材料的韧性 对先漏后爆 的产生有 重 大影响因此 在实际 工程应 用 中必须考虑 温 度、介 质 等 对材
13、 料性 能 尤其是韧性 的影响,从而修正韧带失稳 曲线和临界裂纹 长度线。全的,只须 充分考虑 临界 裂纹 长度的安全系数就可保证安全性。与传统的以启裂作为判据的准则比,它不保守但安全,允许一部分短裂纹扩展但不允许长裂纹的存在,例如,对于一长度超过 临 界裂 纹长度的裂 纹,传统判定认 为只要它不 启裂 就是安全的,但在 先漏后爆的评 判中却是不允许的。目前,最 成功的先漏 后 爆 评判准 则 应 是等人提 出的先漏 后爆评 判 图,但它还不能预测某一尺寸在安全区的裂纹经扩展后管道以什么样的形式 破坏,这 对于允许一 定范 围内的裂 纹扩 展 的 先漏后爆准 则是 一个 不足之处,必须对它加以改造。另外,要在工程 中应用先漏后爆理论,至少还 必须解决泄漏的计算和检测、临 界裂纹 长度 的确定和材料性能 的变 化等技术问题。参考文献四、结 束语先 漏 后爆评判理 论 是于年代国际 上 发展起来的 管道 防爆 最有效 的理 论,国外已开 始在核管道 上应用。鉴于事实上裂纹很难绝 对不扩展,先漏后爆理论 允许裂纹扩展,这比起 传统的以启裂作 为判据的 准 则更显合理。它又是安,邑布洛克著,王克仁,何元 明,高桦译工 程断 裂力学基础北京 科学出版社,一一一玫一,李 泽震,周道祥,曾广欣等编压力 容器安全评 定 北京劳动人事出版社,一,、凡,一二浅、乙一,一、二一记、一,收稿日期年月日