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承壓設備應力腐蝕壽命評估

2021-09-18 16:54:17 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

承壓設備應力腐蝕壽命評估

01 斷裂力學在壓力容器應力腐蝕斷裂及控制中的應用

斷裂力學是研究帶缺陷或裂紋材料和結構的強度以及裂紋擴展規律的一門學科。它建立于20世紀50年代后半期，半個多世紀以來，斷裂力學發展迅速，其研究的內容越來越廣、越來越深，已從力學擴展到物理化學等領域，并在承壓設備應力腐蝕斷裂、控制和壽命預測研究中得到應用。

我國上世紀70年代引入這一學科，由于它對機械工程的許多方面特別是關系到國家財產和人民生命安全的重大設備（如壓力容器、壓力管道、飛機、船舶、橋梁、原子能設備、電站設備、輸氣管線、火箭導彈等）的安全運行具有重大應用價值，現已廣泛用于這些重大設備的安全設計、合理選材、用材指導、改進工藝、提高產品質量制定科學檢驗標準、正確評價結構的可靠性、防止事故等方面，具有重要的應用價值現。

①壓力容器的設計。

安全設計方面，隨著壓力容器正日趨大型化、操作條件向高溫、高壓、高速發展，壓力容器等設備如再繼續沿用經典的強度理論進行強度及結構設計，已不適應設備要求。按傳統強度理論及方法嚴格檢驗合乎要求的化工壓力容器和輸氣管線等卻在低應力狀態下發生突然爆炸這樣災難性的事故，這引起了人們嚴重的關注。經大量研究發現，這些事故都與材料中存在缺陷有關。過去的經典強度理論是以材料是均質完整的物體的假設為前提，因這不符合實際的情況因而限制了它進一步發展。斷裂力學卻基于前述事實，首先承認構件或材料內部有缺陷或裂紋存在，進而研究裂紋尖端局部應力和變形的情況以及材料抗脆性斷裂性能與裂紋之間的定量關系，從而確定帶缺陷構件的承載能力。經研究發現裂紋尖端的應力應變場可由應力強度因子K描述，它可由計算得出。而結構發生脆斷的條件是KI=KIC，KIC是材料在平面應變條件下裂紋發生失穩（快速）擴展時KI的臨界值，稱平面應變斷裂韌性。實驗還證明材料KIC值是材料固有的力學性能，因而它已成為材料性能的重要指標之一。應力腐蝕斷裂是材料在特征介質中、在一定拉應力作用下而產生的典型低應力脆斷，其發生的條件是KI=KISCC。KISCC被稱為應力腐蝕臨界應力強度因子。對于一定的材料和介質，KISCC為一常數，它反映了該材料在某介質中裂紋抵抗應力腐蝕擴展的能力，所以也稱為應力腐蝕斷裂韌性。通常以KISCC/KI比值作為衡量材料應力腐蝕斷裂敏感性的指標，比值越小，說明對應力腐蝕斷裂越敏感。設計壓力容器時材料的KI須小于KISCC或KIC，使設計從過去的無限壽命設計改進為現在的破壞安全設計，如美國鍋爐壓力容器設計規范增加了防脆斷設計一章。我國已在石油化工壓力容器、核壓力容器等產品上進行了斷裂分析缺陷處理和改進設計、在役壓力容器缺陷評定方面做了大量工作。

②指導合理選材用材。

過去傳統的選材方法是強度設計法，即盲目追求強度，認為強度高的材料才能使結構輕巧、性能可靠。而從斷裂事故的分析中，發現線彈性斷裂在應力小于0.3倍的屈服強度時結構已破壞，這是因為材料的斷裂韌性差，還沒有用到設計強度時已經由于太脆而破壞了。斷裂力學的指導使人們認識到選用材料既要注意強度，也要注意斷裂韌性，當斷裂韌性相同而強度不同時，選用強度高者可以延長使用壽命。

根據實際發生的破壞情況，可以將斷裂劃為如表4-68所示的幾個類型。

表4-68 斷裂類型對比

國內應用斷裂力學原理指導選材用材方面，從20世紀70年代開始做了大量工作。為適應壓力容器大型化及操作條件高溫、高壓、低溫的要求，適應我國較為缺鎳、鉻的國情，開發了一批壓力容器用普通低合金鋼，如Q345R、15MnV、09MnCuTiRe等，既充分利用了國內資源，也在相當大程度上提高了壓力容器用鋼的強度和斷裂韌性，使國產壓力容器用鋼提高了一個檔次。

用爆炸焊接等方式生產復合板，把復層的高耐腐蝕性和基體金屬的力學性能緊密結合起來，既節省貴重金屬又保證壓力容器安全運行。對壓力容器用鋼，用噴丸強化工藝提高疲勞壽命，用細化、超細化晶粒熱處理工藝和降低鋼中有害元素含量改進材料性能，以減少壓力容器破壞事故的發生。

③改進制造工藝提高產品質量。

由于斷裂力學的發展，使人們進一步認識生產少缺陷、高強度、高韌性材料的重要性，因而從各方面改進工藝，提高了壓力容器制造用材料的產品質量。而材料的斷裂韌性與材料的化學成分、金相組織、精細結構、熱處理工藝、強化工藝、制造工藝有關。

在材質方面為了提高壓力容器用鍛件的質量，多年來采取如下措施：真空澆鑄及除氣；堿性電爐熔煉，改進造渣，純凈鋼水；真空碳脫氧；進行凝固分析，改進錠模和熱頂設計，以減少鑄錠收縮而發生的多孔性；降低奧氏體化溫度以細化晶粒尺寸；減少C、Mn、Mo含量，增加Ni含量；建立NiCrMoV鋼系，增加淬透性和下貝氏體轉變溫度；用水淬加速從奧氏體的冷卻，改進轉變產物。美國用上述方法使斷口形貌轉變溫度10年內降低83℃，得到了屈服強度高于770MPa，而斷口形貌溫度轉變溫度低于-18℃的電站鍛件材料。

④合理選擇熱處理溫度尋求最佳配合的材料性能。

可根據不同情況找出最佳配合性能（KIC與ReL的關系）的熱處理工藝，如通過熱處理，可以將鋼的斷裂韌性提高，而強度下降很少。

⑤改進強化工藝。

在氮化工藝上，國外有兩種不同意見：第一，由于氮化使裂紋周圍材料強化變脆，對裂紋擴展起促進作用；第二，由于氮原子滲入基體，促使體積膨脹，裂紋尖端造成壓應力，使裂紋閉合，起延緩裂紋發展作用，有利于提高產品的壽命，提高產品質量。

⑥制定科學檢驗標準。

國際焊接學會提出了從脆斷破壞觀點評定缺陷的推薦方法，其基本思路為：根據缺陷性質、形狀、部位與尺寸，將實際裂紋換算成當量穿透裂紋ā，分析結構應力應變情況；根據材料斷裂韌性及受力情況求出相應允許裂紋尺寸ām，兩者對比如，ā＜ām則可接受，以此來評定焊接結構的缺陷。英國、瑞典都已根據上述方法制定了國家標準

⑦正確評價結構可靠性防止事故。

因為斷裂力學建立了材料韌性、結構應力和缺陷間的定量關系，因而能正確評價有缺陷結構的可靠性，防止事故。

02 在役壓力容器應力腐蝕壽命評估

①線彈性斷裂力學的斷裂判據

斷裂力學的強度條件稱斷裂判據，為保證構件中的裂紋不致產生失穩擴展而造成脆性斷裂，要求構件裂紋端部處的應力強度因子KI小于材料的平面應變斷裂韌性KIC，即斷裂判據：KI≤KIC。

對于任何形式的裂紋體，只要它屬于I型變形，而且裂紋端部只有“小范圍屈服”，則裂紋體的安全與否，可作如下判斷：

KI＜KIC -安全

KI= KIC-臨界狀態，極不穩定，具備了裂紋失穩擴展脆性斷裂的條件

KI＞ KIC -裂紋已失穩擴展，脆性斷裂

應力強度因子KI可按公式計算，斷裂韌性KIC只能由實驗測定。應該指出，在斷裂判據中還是有一些儲備的，因為一般的裂紋端部不可能全部處于平面應變狀態，所以實際的斷裂韌性值總比KIC要大些，介于KC與KIC之間斷裂判據選擇為KI≤KIC是為了偏于安全。

②復合應力下的斷裂判據

上面所述的都是裂紋和主應力方向垂直的情況，如裂紋對主應力方向傾斜一個角度，那么裂紋所受的是正應力和剪應力的復合應力。壓力容器上如有周向和縱向裂紋，它們都和主應力的方向相垂直，受到的都是簡單的拉伸應力。但如裂紋的方向傾斜一個角度，它們受到的就是拉伸與剪切的復合應力。

如一壓力容器壁上有一條與母線成β傾角的裂紋，在內壓力作用下，此裂紋端部的應力強度因子既有第一型的KI，又有第二型的KⅡ，像這種情況的斷裂通稱為復合型斷裂，要判斷這類裂紋在什么條件下將發生臨界擴展，不能單依靠前述的KI=KIC這樣的斷裂判據。為解決復合型斷裂問題，必須建立相應的復合型斷裂判據。

關于復合型斷裂判據，在線彈性范圍內開展了一些研究工作，主要有投影法判據、應變能密度S判據、最大主應力σ0判據、裂紋擴展能量率G判據，以及等應變能密度線上最大周向應力判據，但都還缺少實踐方面的充分證明。

③斷裂力學解決強度問題的方法及其應用

a. 選材、定尺寸。

選材是設計的重要問題之一，傳統的設計方法是根據強度儲備來選擇材料、確定構件尺寸的。先對屈服強度或強度極限取一定安全系數ns或nb作為許用應力[σ]，然后使構件的設計應力不超過該值，即σ＜[σ]，認為是安全的，其安全強度儲備即為安全系數。斷裂力學的設計方法是根據韌性儲備來選擇材料與確定構件尺寸的，其安全系數為nk=KIC/KI。這2種方法，在高強度鋼設計上是不一致的。

為了防止低應力脆性斷裂，選材時首先要保證斷裂韌性，其次才是強度問題，尤其要注意高強度鋼的斷裂韌性較低的問題。因此，按斷裂力學觀點，在設計高強度構件選材時應適當降低強度儲備選用，選用屈服強低而KIC高的材料。

b. 確定帶裂紋構件的極限承載能力。

已知缺陷尺寸，由KI=σ（πa）1/2及破裂時KI=KIC，可以確定構件的極限承載能力：

式中：σc-臨界應力；MPa

c. 確定構件的臨界裂紋尺寸。

裂紋的存在是構件低應力破壞的主要因素，斷裂力學對帶裂紋體的質量驗收，應該突出哪些裂紋是允許存在的，哪些裂紋是不允許存在的，理論上允許存在的最大裂紋尺寸被稱之為臨界裂紋尺寸ac，對之取一定的安全系數則得許用裂紋尺寸[a]。

特別應該指出的是，裂紋體中初始裂紋尺aI往往是比較小的，但是它在使用中會逐漸擴大（稱為亞臨界擴展），當它擴大到臨界尺ac時，就會發生脆斷。在設計中必須重視和考慮這一情況。從初始裂紋aI擴大到臨界裂紋尺寸ac的時間，就是裂紋體的使用壽命。斷裂力學估算裂紋體的使用壽命是通過裂紋擴展速率（da/dN）來確定的，N是交變載荷的循環次數或疲勞次數。

斷裂力學中的裂紋擴張力GI及臨界裂紋擴張力GIC物理意義是當裂紋擴展力達到臨界值時裂紋開始失穩擴展，也可以理解為裂紋擴展單位距離形成了上下兩個自由表面所需消耗的彈性變形能，這些能量也就是消耗在形成新斷裂面的表面能。和KI、KIC一樣，都是斷裂力學判據，前者系能量判據，后者為應力場強度判據。KI=KIC的判據在工程實踐中運用較普遍。判據的提出是一種假設，它的有效性，即是否能預計實際的斷裂，則完全要依賴于實踐的檢驗，只有通過大量實驗，才能確定這種判據的有效性。

④彈塑性斷裂力學的斷裂判據

工程結構中常常會碰到一種彈塑性斷裂問題。結構的某些元件或部位往往要經受較大的變形，例如壓力容器的接管部分和結構的開孔邊緣，其應力集中程度較高，為了使整個結構安全地工作，這些部位的變形和強度就成了問題的關鍵。一旦這些部位有了裂紋，則問題就歸結為在材料屈服并產生較大變形下裂紋的擴張和斷裂規律的研究。這就是一個彈塑性斷裂問題。

在工件的加工工藝過程中（如焊接、鑄造、熱處理、加工以及安裝）都有可能產生殘余應力，疊加上工作應力后常會接近或超過材料的屈服極限，這些局部存在的裂紋就要按彈塑性斷裂力學來進行分析。

在線彈性斷裂力學中，雖然也指出裂紋尖端不可避免地存在一個塑性區，用有效裂紋長度，把小范圍屈服經過彈性化處理，進行塑性區修正，使線彈性斷裂力學得出的應力強度因子KI仍然適用。但是，對于前述彈塑性斷裂問題，即使引入塑性區修正，線彈性斷裂力學方法也已不再適用。

彈塑性斷裂又稱為大范圍屈服斷裂或普遍（全面）屈服斷裂。彈塑性斷裂的基本特征是指斷裂前裂紋端部附近產生大范圍屈服，這種大范圍屈服以后的斷裂具有以下基本特征：

a. 宏觀變形方面，彈塑性斷裂產生的塑性變形量是很大的，同時出現縮頸現象；

b. 應力方面，斷裂時的名義應力較高，一般接近或超過材料的屈服限，斷裂面與主應力方向大致成45?；

c. 宏觀斷口，呈纖維狀，收縮較大，且存在拉邊，（剪切唇）一般呈暗灰色，不像脆斷有晶粒的光澤。從微觀角度看，出現了塑性孔坑；

d. 能量，彈塑性斷裂消耗的能量較大，裂紋的擴展需要外力繼續做功來完成，也就是裂紋在擴展時遇到的阻力較大，因此彈塑性斷裂的傳播速度較慢。

⑤彈塑性斷裂的分析方法

一是裂紋端部張開位移法（COD法），這種方法是對裂紋端部的塑性區作出一定假設，然后建立一種計算模型，如D-M模型。在此模型的基礎上建立裂紋端部張開位移法。二是彈塑性方法，即能量觀點的J積分方法，這種方法主要是對裂紋端部進行彈塑性分析，并建立一個能表征裂紋端部彈塑性應力場的參數，稱之為J積分。

a. COD法的基本概念和小量屈服方程。

用應力的觀點去討論裂紋擴展對于脆性或半脆性的材料比較適用，而應變的觀點去研究裂紋的擴展對韌性（彈塑性）材料比較適宜。COD法概念的提出和發展就是針對韌性較好的中低強度鋼中的裂紋斷裂擴展和失穩擴展問題的。

COD主要是研究在裂紋端部產生了塑性區，但裂紋本身還沒有擴展時，裂紋端部所產生的張開位移。COD的概念之所以非常有用，是因為通過實驗發現當裂紋即將要擴展時，裂紋端部的張開位移值是一定值，是材料的屬性，與材料的厚度試件的形狀加載方法無關。這樣就可利用小試件，在全面屈服之后，測得裂紋在即將擴展時的裂紋端部的張開位移值，以此去判斷大試樣或大部件的低應力脆斷的斷裂強度。

b. D-M模型。

為了分析裂紋端部的張開位移，Dugdale應用Muskhelishuili的方法，研究薄板拉伸（平面應力）時穿透直裂紋端部的塑性變形，假設裂紋兩端的塑性區呈尖劈的形式向兩端伸展，圖4-227。圖4-227b中涂黑部分，也可稱為曲線三角形部位，注意塑性區上下兩個面不是自由表面。

圖4-227 D-M模型

Dugdale假設塑性區上下兩面受有均勻的應力，其值等于材料的屈服應力，也就是說假定材料無應變硬化，為理想塑性體。做力學分析時，取塑性區內的材料為分離體如圖4-227b，而代之的應力作用了圖4-227c上。屈服強度的作用是防止上下兩面分離，因此其方向是使塑性區閉合。Dugdale實質是采用這種辦法將裂紋尖端的彈塑性問題進行彈性化處理，認為外面的彈性區在中心包著一個扁平的橢圓。塑性區的大小應該使這個扁平橢圓的尖端（即塑性區的端部）的應力無奇點，扁平橢圓由-C到+C。

裂紋及其塑性區的外側彈性區有兩套應力：其一是外加的均勻應力σ，這套應力是使裂紋開裂的；其二是非均勻的，只存在于（-C，-a）和（+C，+a）之間，這一套應力使裂紋捏合，和第一套應力的作用相反，方向也相反。薄板內存在的這兩套應力就屬于彈性力學問題，可以由彈性力學來求解。

c. J積分。

針對材料的彈塑性斷裂或全塑性斷裂，彈塑性斷裂力學首先必須要解決的問題是如何在大范圍屈服條件下，確定一個能定量地描述裂紋尖端應力形變場強度，而又易于實驗測定及計算的參量。1968年Rice提出了一個能量線積分，又稱J積分，初步解決了這些問題。

在全面屈服情況下，只要總體的屈服程度不太高，應變區限制在裂紋端部較小地區包圍它的廣大彈塑性區還是小應變區。這樣在高應變區中的形變能只占總形變能中的一小部分。用J積分描述裂紋端部的彈塑性場，像參數KI描述裂紋尖端的彈性場，但J積分比KI更優越，它既可適合于小范圍屈服，也可以適合于大范圍屈服。

J積分的重要特點是在一定條件下，即小應變區中包括彈性和塑性形變，它的值可以證明與積分路線無關。

積分的斷裂判據可以這樣來認為，既然J積分是描述裂紋端部彈塑性場的應力、應變參數，那么在裂紋開裂時的J積分值就稱為J積分的臨界值，以平面應變JIC表示。其判據為：

J=JIC（平面應變）（4-57）

JIC的測定主要有兩種方法，一種是J積分的試驗標定法，也稱多試件法，另一種為單試件法。

綜上所述，積分方法的優點在于它的積分數值與積分回路的無關性，它避開了難于計算分析的裂紋尖端，這個有嚴格定義的應力應變場參量，其數值可用簡單的實驗方法可靠地進行標定。

積分也有它的局限性，因為J積分是二維的，所以J積分只能適用于平面問題，而不能適用于三維問題。由于塑性應變是不可逆的，因而J積分方法就不允許卸載。它不適用于在裂紋明顯擴展之前已有亞臨界擴展的材料。因此，J積分只能說明擴展的起始，而不能描述整個過程。

⑥壓力容器裂紋在應力腐蝕中的擴展規律和壽命估算

對于壓力容器的應力腐蝕壽命評估，須按相應的法規和標準進行。

SCC壽命預測的難點，一是對裂紋萌生期規律缺乏機理性的定量認識，二是難以取得符合現場SCC實際規律的裂紋擴展速率（CPR）的數據。SCC壽命預測需CPR的數據，采用斷裂力學方法用預制裂紋試樣外加實際可能遭受的應力是最常采用的實驗室獲取CPR的方法，而用斷裂力學試樣所得到的數據往往是過于保守的。其原因之一是上述試驗所得的裂紋擴展速率常處于法拉第定律的上限，而實際裂紋并非是以如此高的速率擴展；再者對SCC過程中多裂紋交互作用對SCC壽命影響的認識較少，Parkins認為很大的裂紋也有可能停止擴展；而且由于SCC參數中的環境因素，如環境組成、電位、溫度等在設備運行過程中出現隨機特征，需用統計分析的方法進行處理，簡單的模型處理不能奏效。

用于設備壽命預測的方法一般可分為確定性（deterministic）方法及統計（statistical）方法兩種。確定性方法通過計算裂紋擴展速率以求出SCC壽命，而SCC萌生期常需采用統計分析方法處理。用于腐蝕設備壽命預測的統計方法常采用極值統計方法，其分布形式一般有Gumbel分布、Cauchy和Weibull分布3種。Gumbel分布常用于最大點蝕深度的分布，也有少數研究采用Gumbel分布處理304不銹鋼在高溫高壓水中的SCC數據；而Weibull分布常用于SCC壽命預測[1]。

a.應力腐蝕臨界應力強度因子。

具有原始裂a的壓力容器器壁，在非腐蝕環境中工作，當KI＜KIC時，裂紋是穩定的，只有當KI≥KIC時裂紋才有可能快速斷裂。

若在特征腐蝕介質中工作，雖然當KI＜KIC，但裂紋也有可能擴展，并且隨著裂紋的擴展，KI逐漸增大，直至裂紋擴展至ac，壓力容器即將發生破裂。

裂紋在特征腐蝕介質和拉應力的共同作用下，由原始裂紋尺a擴展到臨界值ac這一段擴展過程，稱為裂紋在應力腐蝕中的亞臨界擴展，加速亞臨界擴展的動力是應力強度因子KI。通過試驗，在某一恒拉應力值和特征腐蝕介質共同作用下可得KIi-tIi曲線，如圖4-228。由圖4-228可知，當KIi=KIC時，tIi=0；KIi＜KIC時，tIi隨KIi的下降而增大。KIi下降到某一值KISCC時，tIi→∞，由此可找出KISCC值。當KIi＜KISCC時，裂紋即使緩慢地發生擴展，但要從a→ac需要的時間很長。因此，可以認為不會發生擴展。此值稱為應力腐蝕臨界強度因子KISCC。

式中：a-原始裂紋尺寸；mm

ā-不產生應力腐蝕開裂的最小裂紋尺寸；mm

σth-應力腐蝕開裂的臨界應力；MPa。

圖4-228 KIi-TIi曲線

KISCC和KIC一樣，對于一定的材料和介質KISCC是一個常數，可用于過程設計。

有關σ、σth、a、ā和ac的評定，如圖4-229所示。當原始裂紋尺寸a的外加應力σ≥σth時，即開裂，發生亞臨界擴展一直到達相對應的ac，產生失穩斷裂。

當原始裂紋尺寸a的外加應力σ＜σth ，而a＜ā時，則不會產生開裂。

當KI≥KISCC時，裂紋即開裂發生亞臨界擴展。

當KI≥KIC，裂紋立即產生失穩斷裂。

圖4-229 應力腐蝕裂紋開裂評定示意 1kgf/mm2=9.8MPa

圖4-230 高強度鋼的KISCC與屈服強度的關系1kgf/mm2=9.8MPa

當腐蝕環境一定時，KISCC因材料的強度不同而有所不同，圖4-230中可見，在σs（ReL）＞980MPa時，σs越大，KISCC越低，因此，高強度鋼具有很大的應力腐蝕開裂敏感性。KISCC與KIC有一定的對應關系，如4340鋼在海水中的KISCC與KIC的關系，圖4-231所示，曲線變化表明， KIC＞KISCC，當σs＞105MPa時，KISCC急劇下降，而σs＞140MPa時，KISCC才變化緩慢，但KIC一直是緩慢地下降的。

在腐蝕環境一定時，應力腐蝕裂紋的形式及σth與σs的關系如圖4-232所示。并見表4-69。

表4-69 SCC形式及σth與σs的關系

注：1kgf/mm2=9.8MPa

圖4-231 海水中4340鋼的KISCC與KIC的關系

圖4-232 產生SCC的臨界應力σth與鋼的屈服極限的關系

b.臨界應力強度因子KIC的測定。

應力強度因子KI是一個力學量，取決于外加應力（負荷）及實際裂紋尺寸（包括幾何尺寸的影響），因此KI是和裂紋有關的力學量，是材料固有的屬性，與裂紋大小、受力無關。

當逐漸加載一個裂紋體（或帶裂紋試樣），裂紋端部的應力強度因子將隨之增大。當應力強度因子KI達到某一定值時，裂紋將發生急劇的不穩定擴展，這一定值即為應力強度因子的臨界值，或稱材料的斷裂韌性。

KC是平面應力狀態下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關。而當板材厚度增加到達到平面應變狀態時，如果裂紋端部處于平面應變狀態，那么裂紋特別容易擴展，斷裂韌值就出現一個穩定的低值，稱為平面應變斷裂韌性KIC，它反映材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，是材料的一種力學性能。斷裂韌性KIC可以按ASTM E399[2]或GB/T 4161[3]規定的方法進行測定。

測定KIC值的基本原理是用一帶裂紋長度為a的直三點彎曲試件，在試驗機上加力P使試件彎曲。隨著P值增加，KI值也增加。當P值低于臨界載荷時，相應的KI值也低于臨界值KIC，裂紋不會失穩擴展。但當P值大到臨界值時，裂紋就要開始失穩擴展，此時值也已達到臨界值KIC。繪制P-V曲線，以平面應變斷裂韌性的條件值KQ作為KIC。

c.應力腐蝕裂紋擴展速率測定。

當KISCC＜KI＜KIC時，裂紋發生亞臨界擴展。實驗證明，在恒拉應力情況下應力腐蝕裂紋擴展速率da/dt=f（KIi），而KIi =g（ai），即隨著裂紋的擴展，a在變，KIi也在變，da/dt的瞬時值也在變。

da/dt=f（KIi）的具體函數關系很復雜，目前僅依賴于實驗測定，da/dt-K曲線可分為3個階段，如圖4-233所示。

圖4-233 da/dt-K曲線

I階段：當KI稍大于KISCC，經過一段孕育期，da/dt劇增，即da/dt≈KI2，此階段內da/dt對KI很敏感；

Ⅱ階段：KI的變化對da/dt影響不大，這一段是純腐蝕過程，它起著控制作用；

Ⅲ階段：當KI趨近KIC時，da/dt劇增，并伴隨著斷裂過程。

實驗證明應力腐蝕裂紋的擴展速度一般不超過10mm?h-1，遠比鋼的脆性斷裂速度小，但換算成腐蝕電流密度則可達1mA?mm-2，比普通的鋼腐蝕過程要快得多。

d.應力腐蝕下壓力容器的壽命估算。

應力腐蝕下的壓力容器壽命預測是從缺陷的初始尺寸積分到臨界尺寸來估算壽命的，而壽命控制正好與之相反，是事先指定壽命，然后反求初始缺陷尺寸，并通過無損檢測可靠性方法檢出結構中大于該尺寸的缺陷，對檢出的缺陷進行維修或更換相應的零部件，從而保證整個結構在指定壽命期內的安全。

i.斷裂力學法

在應力腐蝕條件下工作的壓力容器進行壽命估算和壽命分析時，首先根據KISCC=σ（πā）1/2來確定不發生應力腐蝕的最小裂紋尺寸ā。若外加應力一定，可測得的裂紋原始尺寸為a。

若a＜ā，可不考慮應力腐蝕問題；

若a＞ā，需根據da/dt=f（KIi）曲線來估算壽命tIi。

估算實際壓力容器的tIi時，為了安全和簡單起見，一般取保守使用壽命，即以占總壽命大部分的第Ⅱ階段壽命作為壓力容器壽命，且近似地認為該階段CPR為常數A。

相當低的CPR使得實驗室模擬試驗周期相當長，從而使得模擬條件下的SCC試驗數據及現場數據較少，且相當一部分的試驗數據較分散，這給SCC壽命預測帶來了很大的困難。目前所發展的高溫水中的SCC壽命預測有其自己的特點，即多數采用確定性方法通過計算裂紋擴展階段的CPR來估計相關條件下的設備剩余壽命，如GE（通用電氣公司）的Ford和Andresen根據滑移-溶解機理提出的SCC預測模型（slip-dissolution,S-D）、D.D.Macdonald和U.Macdonald環境耦合斷裂模型（coupled-environment fracture model,CEFM）、A.Turnbull模型、Jiang及Staehle提出的化學/力學模型（chemical/mechanical,C/M）均是采用確定性方法加以模型化。確定性模型方法的優點在于其能夠提供對控制變量的機理性的認識，從而可以評估操作環境的影響，但其局限性在于由于不同模型所采用的假設條件不同而使得模型在有關實際工程的適用性方面常引起爭論[1]。

ii.統計分析方法的運用

R.N.Parkins等運用統計分析方法成功地進行了油氣管道的SCC壽命預測。由于現場及實驗室高溫水中的SCC裂紋萌生與擴展數據具有一定的隨機特征，采用統計分析方法來進行核電材料SCC壽命分析有其理論基礎。R.Post等人提出基于統計分析的SCC壽命因子理論，運用該理論成功地確認采用核電級316不銹鋼替代易發生SCC的304不銹鋼的可行性。K.Yamauchi等人提出了用一個稱為F因子的參數來表示給定SCC體系與參照SCC體系SCC壽命之間的比例，通過分析實驗室SCC壽命數據得出各個影響因子的壽命因數，該方法在評價實驗室與現場數據方面有一定作用。P.Scott等人的研究結果表明，Weibull分布可用于600合金在PWR一回路水中SCC（PWSCC）的預測，Weibull分布參數可較好地預測外加應力、溫度以及材料SCC敏感性等的影響，Monte Carlo模擬則是用于驗證預測相關性的一種有效的方法[1]。

03 在役壓力容器應力腐蝕開裂的處置

應力腐蝕是壓力容器最危險的腐蝕形式，除了須要做好預防工作外，對于已發生SCC的壓力容器，又常常須要繼續使用，這樣問題來了，如何才能保證這些容器的安全運行：

①檢驗。

對于在使用過程中出現應力腐蝕開裂的壓力容器，應首先進行全面檢驗，檢驗以表面檢測為主，確定裂紋位置、深度和長度。檢驗前必須根據設備的結構、材質和介質等情況正確地確定檢驗的重點部位，制訂出合理的檢驗工藝，并嚴格按檢驗工藝實施檢驗，確保表面裂紋性缺陷的檢出，防止錯檢、漏檢。重點檢驗部位有：

a.容易造成液體滯留或固體物質沉積的部位，如容器底部，底封頭等；

b.連接結構中容易形成縫隙死角的部位，如脹接結構，容器內支承件等；

c.應力集中部位，如容器開孔、T型焊結構等，焊縫缺陷部位，錯邊、咬邊等部位；

d.容器的氣液相交界部位；

e.局部溫差變化大的部位，如容器內的局部過熱區；

f.容器進料口附近和管口對面壁體；

g.返修補焊部位等。

②返修。