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承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕壽命評(píng)估

2021-11-25 13:49:00 作者：工業(yè)小南點(diǎn) 來(lái)源：工業(yè)小南點(diǎn) 分享至：

承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕壽命評(píng)估

01 斷裂力學(xué)在壓力容器應(yīng)力腐蝕斷裂及控制中的應(yīng)用

斷裂力學(xué)是研究帶缺陷或裂紋材料和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律的一門學(xué)科。它建立于20世紀(jì)50年代后半期，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，斷裂力學(xué)發(fā)展迅速，其研究的內(nèi)容越來(lái)越廣、越來(lái)越深，已從力學(xué)擴(kuò)展到物理化學(xué)等領(lǐng)域，并在承壓設(shè)備應(yīng)力腐蝕斷裂、控制和壽命預(yù)測(cè)研究中得到應(yīng)用。

我國(guó)上世紀(jì)70年代引入這一學(xué)科，由于它對(duì)機(jī)械工程的許多方面特別是關(guān)系到國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人民生命安全的重大設(shè)備（如壓力容器、壓力管道、飛機(jī)、船舶、橋梁、原子能設(shè)備、電站設(shè)備、輸氣管線、火箭導(dǎo)彈等）的安全運(yùn)行具有重大應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)已廣泛用于這些重大設(shè)備的安全設(shè)計(jì)、合理選材、用材指導(dǎo)、改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量制定科學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、正確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的可靠性、防止事故等方面，具有重要的應(yīng)用價(jià)值現(xiàn)。

①壓力容器的設(shè)計(jì)。

安全設(shè)計(jì)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(fā)展，壓力容器等設(shè)備如再繼續(xù)沿用經(jīng)典的強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已不適應(yīng)設(shè)備要求。按傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及方法嚴(yán)格檢驗(yàn)合乎要求的化工壓力容器和輸氣管線等卻在低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生突然爆炸這樣災(zāi)難性的事故，這引起了人們嚴(yán)重的關(guān)注。經(jīng)大量研究發(fā)現(xiàn)，這些事故都與材料中存在缺陷有關(guān)。過(guò)去的經(jīng)典強(qiáng)度理論是以材料是均質(zhì)完整的物體的假設(shè)為前提，因這不符合實(shí)際的情況因而限制了它進(jìn)一步發(fā)展。斷裂力學(xué)卻基于前述事實(shí)，首先承認(rèn)構(gòu)件或材料內(nèi)部有缺陷或裂紋存在，進(jìn)而研究裂紋尖端局部應(yīng)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(guān)系，從而確定帶缺陷構(gòu)件的承載能力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)可由應(yīng)力強(qiáng)度因子K描述，它可由計(jì)算得出。而結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的條件是KI=KIC，KIC是材料在平面應(yīng)變條件下裂紋發(fā)生失穩(wěn)（快速）擴(kuò)展時(shí)KI的臨界值，稱平面應(yīng)變斷裂韌性。實(shí)驗(yàn)還證明材料KIC值是材料固有的力學(xué)性能，因而它已成為材料性能的重要指標(biāo)之一。應(yīng)力腐蝕斷裂是材料在特征介質(zhì)中、在一定拉應(yīng)力作用下而產(chǎn)生的典型低應(yīng)力脆斷，其發(fā)生的條件是KI=KISCC。KISCC被稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。對(duì)于一定的材料和介質(zhì)，KISCC為一常數(shù)，它反映了該材料在某介質(zhì)中裂紋抵抗應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展的能力，所以也稱為應(yīng)力腐蝕斷裂韌性。通常以KISCC/KI比值作為衡量材料應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性的指標(biāo)，比值越小，說(shuō)明對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂越敏感。設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)材料的KI須小于KISCC或KIC，使設(shè)計(jì)從過(guò)去的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)改進(jìn)為現(xiàn)在的破壞安全設(shè)計(jì)，如美國(guó)鍋爐壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范增加了防脆斷設(shè)計(jì)一章。我國(guó)已在石油化工壓力容器、核壓力容器等產(chǎn)品上進(jìn)行了斷裂分析缺陷處理和改進(jìn)設(shè)計(jì)、在役壓力容器缺陷評(píng)定方面做了大量工作。

②指導(dǎo)合理選材用材。

過(guò)去傳統(tǒng)的選材方法是強(qiáng)度設(shè)計(jì)法，即盲目追求強(qiáng)度，認(rèn)為強(qiáng)度高的材料才能使結(jié)構(gòu)輕巧、性能可靠。而從斷裂事故的分析中，發(fā)現(xiàn)線彈性斷裂在應(yīng)力小于0.3倍的屈服強(qiáng)度時(shí)結(jié)構(gòu)已破壞，這是因?yàn)椴牧系臄嗔秧g性差，還沒有用到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)已經(jīng)由于太脆而破壞了。斷裂力學(xué)的指導(dǎo)使人們認(rèn)識(shí)到選用材料既要注意強(qiáng)度，也要注意斷裂韌性，當(dāng)斷裂韌性相同而強(qiáng)度不同時(shí)，選用強(qiáng)度高者可以延長(zhǎng)使用壽命。

根據(jù)實(shí)際發(fā)生的破壞情況，可以將斷裂劃為如表4-68所示的幾個(gè)類型。

表4-68 斷裂類型對(duì)比

國(guó)內(nèi)應(yīng)用斷裂力學(xué)原理指導(dǎo)選材用材方面，從20世紀(jì)70年代開始做了大量工作。為適應(yīng)壓力容器大型化及操作條件高溫、高壓、低溫的要求，適應(yīng)我國(guó)較為缺鎳、鉻的國(guó)情，開發(fā)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(guó)內(nèi)資源，也在相當(dāng)大程度上提高了壓力容器用鋼的強(qiáng)度和斷裂韌性，使國(guó)產(chǎn)壓力容器用鋼提高了一個(gè)檔次。

用爆炸焊接等方式生產(chǎn)復(fù)合板，把復(fù)層的高耐腐蝕性和基體金屬的力學(xué)性能緊密結(jié)合起來(lái)，既節(jié)省貴重金屬又保證壓力容器安全運(yùn)行。對(duì)壓力容器用鋼，用噴丸強(qiáng)化工藝提高疲勞壽命，用細(xì)化、超細(xì)化晶粒熱處理工藝和降低鋼中有害元素含量改進(jìn)材料性能，以減少壓力容器破壞事故的發(fā)生。

③改進(jìn)制造工藝提高產(chǎn)品質(zhì)量。

由于斷裂力學(xué)的發(fā)展，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生產(chǎn)少缺陷、高強(qiáng)度、高韌性材料的重要性，因而從各方面改進(jìn)工藝，提高了壓力容器制造用材料的產(chǎn)品質(zhì)量。而材料的斷裂韌性與材料的化學(xué)成分、金相組織、精細(xì)結(jié)構(gòu)、熱處理工藝、強(qiáng)化工藝、制造工藝有關(guān)。

在材質(zhì)方面為了提高壓力容器用鍛件的質(zhì)量，多年來(lái)采取如下措施：真空澆鑄及除氣；堿性電爐熔煉，改進(jìn)造渣，純凈鋼水；真空碳脫氧；進(jìn)行凝固分析，改進(jìn)錠模和熱頂設(shè)計(jì)，以減少鑄錠收縮而發(fā)生的多孔性；降低奧氏體化溫度以細(xì)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(zhuǎn)變溫度；用水淬加速?gòu)膴W氏體的冷卻，改進(jìn)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。美國(guó)用上述方法使斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度10年內(nèi)降低83℃，得到了屈服強(qiáng)度高于770MPa，而斷口形貌溫度轉(zhuǎn)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(jù)不同情況找出最佳配合性能（KIC與ReL的關(guān)系）的熱處理工藝，如通過(guò)熱處理，可以將鋼的斷裂韌性提高，而強(qiáng)度下降很少。

⑤改進(jìn)強(qiáng)化工藝。

在氮化工藝上，國(guó)外有兩種不同意見：第一，由于氮化使裂紋周圍材料強(qiáng)化變脆，對(duì)裂紋擴(kuò)展起促進(jìn)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(yīng)力，使裂紋閉合，起延緩裂紋發(fā)展作用，有利于提高產(chǎn)品的壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

⑥制定科學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)際焊接學(xué)會(huì)提出了從脆斷破壞觀點(diǎn)評(píng)定缺陷的推薦方法，其基本思路為：根據(jù)缺陷性質(zhì)、形狀、部位與尺寸，將實(shí)際裂紋換算成當(dāng)量穿透裂紋ā，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況；根據(jù)材料斷裂韌性及受力情況求出相應(yīng)允許裂紋尺寸ām，兩者對(duì)比如，ā＜ām則可接受，以此來(lái)評(píng)定焊接結(jié)構(gòu)的缺陷。英國(guó)、瑞典都已根據(jù)上述方法制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

⑦正確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)可靠性防止事故。

因?yàn)閿嗔蚜W(xué)建立了材料韌性、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和缺陷間的定量關(guān)系，因而能正確評(píng)價(jià)有缺陷結(jié)構(gòu)的可靠性，防止事故。

02 在役壓力容器應(yīng)力腐蝕壽命評(píng)估

①線彈性斷裂力學(xué)的斷裂判據(jù)

斷裂力學(xué)的強(qiáng)度條件稱斷裂判據(jù)，為保證構(gòu)件中的裂紋不致產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展而造成脆性斷裂，要求構(gòu)件裂紋端部處的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI小于材料的平面應(yīng)變斷裂韌性KIC，即斷裂判據(jù)：KI≤KIC。

對(duì)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(tài)，極不穩(wěn)定，具備了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展脆性斷裂的條件

KI＞ KIC -裂紋已失穩(wěn)擴(kuò)展，脆性斷裂

應(yīng)力強(qiáng)度因子KI可按公式計(jì)算，斷裂韌性KIC只能由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。應(yīng)該指出，在斷裂判據(jù)中還是有一些儲(chǔ)備的，因?yàn)橐话愕牧鸭y端部不可能全部處于平面應(yīng)變狀態(tài)，所以實(shí)際的斷裂韌性值總比KIC要大些，介于KC與KIC之間斷裂判據(jù)選擇為KI≤KIC是為了偏于安全。

②復(fù)合應(yīng)力下的斷裂判據(jù)

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

如一壓力容器壁上有一條與母線成β傾角的裂紋，在內(nèi)壓力作用下，此裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)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(fù)合型斷裂，要判斷這類裂紋在什么條件下將發(fā)生臨界擴(kuò)展，不能單依靠前述的KI=KIC這樣的斷裂判據(jù)。為解決復(fù)合型斷裂問題，必須建立相應(yīng)的復(fù)合型斷裂判據(jù)。

關(guān)于復(fù)合型斷裂判據(jù)，在線彈性范圍內(nèi)開展了一些研究工作，主要有投影法判據(jù)、應(yīng)變能密度S判據(jù)、最大主應(yīng)力σ0判據(jù)、裂紋擴(kuò)展能量率G判據(jù)，以及等應(yīng)變能密度線上最大周向應(yīng)力判據(jù)，但都還缺少實(shí)踐方面的充分證明。

③斷裂力學(xué)解決強(qiáng)度問題的方法及其應(yīng)用

a. 選材、定尺寸。

選材是設(shè)計(jì)的重要問題之一，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)強(qiáng)度儲(chǔ)備來(lái)選擇材料、確定構(gòu)件尺寸的。先對(duì)屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限取一定安全系數(shù)ns或nb作為許用應(yīng)力[σ]，然后使構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力不超過(guò)該值，即σ＜[σ]，認(rèn)為是安全的，其安全強(qiáng)度儲(chǔ)備即為安全系數(shù)。斷裂力學(xué)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)韌性儲(chǔ)備來(lái)選擇材料與確定構(gòu)件尺寸的，其安全系數(shù)為nk=KIC/KI。這2種方法，在高強(qiáng)度鋼設(shè)計(jì)上是不一致的。

為了防止低應(yīng)力脆性斷裂，選材時(shí)首先要保證斷裂韌性，其次才是強(qiáng)度問題，尤其要注意高強(qiáng)度鋼的斷裂韌性較低的問題。因此，按斷裂力學(xué)觀點(diǎn)，在設(shè)計(jì)高強(qiáng)度構(gòu)件選材時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低強(qiáng)度儲(chǔ)備選用，選用屈服強(qiáng)低而KIC高的材料。

b. 確定帶裂紋構(gòu)件的極限承載能力。

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

式中：σc-臨界應(yīng)力；MPa

c. 確定構(gòu)件的臨界裂紋尺寸。

裂紋的存在是構(gòu)件低應(yīng)力破壞的主要因素，斷裂力學(xué)對(duì)帶裂紋體的質(zhì)量驗(yàn)收，應(yīng)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(duì)之取一定的安全系數(shù)則得許用裂紋尺寸[a]。

特別應(yīng)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(huì)逐漸擴(kuò)大（稱為亞臨界擴(kuò)展），當(dāng)它擴(kuò)大到臨界尺ac時(shí)，就會(huì)發(fā)生脆斷。在設(shè)計(jì)中必須重視和考慮這一情況。從初始裂紋aI擴(kuò)大到臨界裂紋尺寸ac的時(shí)間，就是裂紋體的使用壽命。斷裂力學(xué)估算裂紋體的使用壽命是通過(guò)裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）來(lái)確定的，N是交變載荷的循環(huán)次數(shù)或疲勞次數(shù)。

斷裂力學(xué)中的裂紋擴(kuò)張力GI及臨界裂紋擴(kuò)張力GIC物理意義是當(dāng)裂紋擴(kuò)展力達(dá)到臨界值時(shí)裂紋開始失穩(wěn)擴(kuò)展，也可以理解為裂紋擴(kuò)展單位距離形成了上下兩個(gè)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(xué)判據(jù)，前者系能量判據(jù)，后者為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度判據(jù)。KI=KIC的判據(jù)在工程實(shí)踐中運(yùn)用較普遍。判據(jù)的提出是一種假設(shè)，它的有效性，即是否能預(yù)計(jì)實(shí)際的斷裂，則完全要依賴于實(shí)踐的檢驗(yàn)，只有通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，才能確定這種判據(jù)的有效性。

④彈塑性斷裂力學(xué)的斷裂判據(jù)

工程結(jié)構(gòu)中常常會(huì)碰到一種彈塑性斷裂問題。結(jié)構(gòu)的某些元件或部位往往要經(jīng)受較大的變形，例如壓力容器的接管部分和結(jié)構(gòu)的開孔邊緣，其應(yīng)力集中程度較高，為了使整個(gè)結(jié)構(gòu)安全地工作，這些部位的變形和強(qiáng)度就成了問題的關(guān)鍵。一旦這些部位有了裂紋，則問題就歸結(jié)為在材料屈服并產(chǎn)生較大變形下裂紋的擴(kuò)張和斷裂規(guī)律的研究。這就是一個(gè)彈塑性斷裂問題。

在工件的加工工藝過(guò)程中（如焊接、鑄造、熱處理、加工以及安裝）都有可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，疊加上工作應(yīng)力后常會(huì)接近或超過(guò)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(xué)來(lái)進(jìn)行分析。

在線彈性斷裂力學(xué)中，雖然也指出裂紋尖端不可避免地存在一個(gè)塑性區(qū)，用有效裂紋長(zhǎng)度，把小范圍屈服經(jīng)過(guò)彈性化處理，進(jìn)行塑性區(qū)修正，使線彈性斷裂力學(xué)得出的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI仍然適用。但是，對(duì)于前述彈塑性斷裂問題，即使引入塑性區(qū)修正，線彈性斷裂力學(xué)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(chǎn)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(chǎn)生的塑性變形量是很大的，同時(shí)出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象；

b. 應(yīng)力方面，斷裂時(shí)的名義應(yīng)力較高，一般接近或超過(guò)材料的屈服限，斷裂面與主應(yīng)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(xiàn)了塑性孔坑；

d. 能量，彈塑性斷裂消耗的能量較大，裂紋的擴(kuò)展需要外力繼續(xù)做功來(lái)完成，也就是裂紋在擴(kuò)展時(shí)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(duì)裂紋端部的塑性區(qū)作出一定假設(shè)，然后建立一種計(jì)算模型，如D-M模型。在此模型的基礎(chǔ)上建立裂紋端部張開位移法。二是彈塑性方法，即能量觀點(diǎn)的J積分方法，這種方法主要是對(duì)裂紋端部進(jìn)行彈塑性分析，并建立一個(gè)能表征裂紋端部彈塑性應(yīng)力場(chǎng)的參數(shù)，稱之為J積分。

a. COD法的基本概念和小量屈服方程。

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

COD主要是研究在裂紋端部產(chǎn)生了塑性區(qū)，但裂紋本身還沒有擴(kuò)展時(shí)，裂紋端部所產(chǎn)生的張開位移。COD的概念之所以非常有用，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂紋即將要擴(kuò)展時(shí)，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(wú)關(guān)。這樣就可利用小試件，在全面屈服之后，測(cè)得裂紋在即將擴(kuò)展時(shí)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(yīng)力脆斷的斷裂強(qiáng)度。

b. D-M模型。

為了分析裂紋端部的張開位移，Dugdale應(yīng)用Muskhelishuili的方法，研究薄板拉伸（平面應(yīng)力）時(shí)穿透直裂紋端部的塑性變形，假設(shè)裂紋兩端的塑性區(qū)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(qū)上下兩個(gè)面不是自由表面。

圖4-227 D-M模型

Dugdale假設(shè)塑性區(qū)上下兩面受有均勻的應(yīng)力，其值等于材料的屈服應(yīng)力，也就是說(shuō)假定材料無(wú)應(yīng)變硬化，為理想塑性體。做力學(xué)分析時(shí)，取塑性區(qū)內(nèi)的材料為分離體如圖4-227b，而代之的應(yīng)力作用了圖4-227c上。屈服強(qiáng)度的作用是防止上下兩面分離，因此其方向是使塑性區(qū)閉合。Dugdale實(shí)質(zhì)是采用這種辦法將裂紋尖端的彈塑性問題進(jìn)行彈性化處理，認(rèn)為外面的彈性區(qū)在中心包著一個(gè)扁平的橢圓。塑性區(qū)的大小應(yīng)該使這個(gè)扁平橢圓的尖端（即塑性區(qū)的端部）的應(yīng)力無(wú)奇點(diǎn)，扁平橢圓由-C到+C。

裂紋及其塑性區(qū)的外側(cè)彈性區(qū)有兩套應(yīng)力：其一是外加的均勻應(yīng)力σ，這套應(yīng)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(yīng)力使裂紋捏合，和第一套應(yīng)力的作用相反，方向也相反。薄板內(nèi)存在的這兩套應(yīng)力就屬于彈性力學(xué)問題，可以由彈性力學(xué)來(lái)求解。

c. J積分。

針對(duì)材料的彈塑性斷裂或全塑性斷裂，彈塑性斷裂力學(xué)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(gè)能定量地描述裂紋尖端應(yīng)力形變場(chǎng)強(qiáng)度，而又易于實(shí)驗(yàn)測(cè)定及計(jì)算的參量。1968年Rice提出了一個(gè)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(yīng)變區(qū)限制在裂紋端部較小地區(qū)包圍它的廣大彈塑性區(qū)還是小應(yīng)變區(qū)。這樣在高應(yīng)變區(qū)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(chǎng)，像參數(shù)KI描述裂紋尖端的彈性場(chǎng)，但J積分比KI更優(yōu)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(diǎn)是在一定條件下，即小應(yīng)變區(qū)中包括彈性和塑性形變，它的值可以證明與積分路線無(wú)關(guān)。

積分的斷裂判據(jù)可以這樣來(lái)認(rèn)為，既然J積分是描述裂紋端部彈塑性場(chǎng)的應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)，那么在裂紋開裂時(shí)的J積分值就稱為J積分的臨界值，以平面應(yīng)變JIC表示。其判據(jù)為：

J=JIC（平面應(yīng)變）（4-57）

JIC的測(cè)定主要有兩種方法，一種是J積分的試驗(yàn)標(biāo)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(yōu)點(diǎn)在于它的積分?jǐn)?shù)值與積分回路的無(wú)關(guān)性，它避開了難于計(jì)算分析的裂紋尖端，這個(gè)有嚴(yán)格定義的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)參量，其數(shù)值可用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法可靠地進(jìn)行標(biāo)定。

積分也有它的局限性，因?yàn)镴積分是二維的，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(yīng)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(kuò)展之前已有亞臨界擴(kuò)展的材料。因此，J積分只能說(shuō)明擴(kuò)展的起始，而不能描述整個(gè)過(guò)程。

⑥壓力容器裂紋在應(yīng)力腐蝕中的擴(kuò)展規(guī)律和壽命估算

對(duì)于壓力容器的應(yīng)力腐蝕壽命評(píng)估，須按相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

SCC壽命預(yù)測(cè)的難點(diǎn)，一是對(duì)裂紋萌生期規(guī)律缺乏機(jī)理性的定量認(rèn)識(shí)，二是難以取得符合現(xiàn)場(chǎng)SCC實(shí)際規(guī)律的裂紋擴(kuò)展速率（CPR）的數(shù)據(jù)。SCC壽命預(yù)測(cè)需CPR的數(shù)據(jù)，采用斷裂力學(xué)方法用預(yù)制裂紋試樣外加實(shí)際可能遭受的應(yīng)力是最常采用的實(shí)驗(yàn)室獲取CPR的方法，而用斷裂力學(xué)試樣所得到的數(shù)據(jù)往往是過(guò)于保守的。其原因之一是上述試驗(yàn)所得的裂紋擴(kuò)展速率常處于法拉第定律的上限，而實(shí)際裂紋并非是以如此高的速率擴(kuò)展；再者對(duì)SCC過(guò)程中多裂紋交互作用對(duì)SCC壽命影響的認(rèn)識(shí)較少，Parkins認(rèn)為很大的裂紋也有可能停止擴(kuò)展；而且由于SCC參數(shù)中的環(huán)境因素，如環(huán)境組成、電位、溫度等在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)隨機(jī)特征，需用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行處理，簡(jiǎn)單的模型處理不能奏效。

用于設(shè)備壽命預(yù)測(cè)的方法一般可分為確定性（deterministic）方法及統(tǒng)計(jì)（statistical）方法兩種。確定性方法通過(guò)計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率以求出SCC壽命，而SCC萌生期常需采用統(tǒng)計(jì)分析方法處理。用于腐蝕設(shè)備壽命預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)方法常采用極值統(tǒng)計(jì)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(diǎn)蝕深度的分布，也有少數(shù)研究采用Gumbel分布處理304不銹鋼在高溫高壓水中的SCC數(shù)據(jù)；而Weibull分布常用于SCC壽命預(yù)測(cè)[1]。

a.應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

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

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

裂紋在特征腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下，由原始裂紋尺a擴(kuò)展到臨界值ac這一段擴(kuò)展過(guò)程，稱為裂紋在應(yīng)力腐蝕中的亞臨界擴(kuò)展，加速亞臨界擴(kuò)展的動(dòng)力是應(yīng)力強(qiáng)度因子KI。通過(guò)試驗(yàn)，在某一恒拉應(yīng)力值和特征腐蝕介質(zhì)共同作用下可得KIi-tIi曲線，如圖4-228。由圖4-228可知，當(dāng)KIi=KIC時(shí)，tIi=0；KIi＜KIC時(shí)，tIi隨KIi的下降而增大。KIi下降到某一值KISCC時(shí)，tIi→∞，由此可找出KISCC值。當(dāng)KIi＜KISCC時(shí)，裂紋即使緩慢地發(fā)生擴(kuò)展，但要從a→ac需要的時(shí)間很長(zhǎng)。因此，可以認(rèn)為不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。此值稱為應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子KISCC。

式中：a-原始裂紋尺寸；mm

ā-不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的最小裂紋尺寸；mm

σth-應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力；MPa。

圖4-228 KIi-TIi曲線

KISCC和KIC一樣，對(duì)于一定的材料和介質(zhì)KISCC是一個(gè)常數(shù)，可用于過(guò)程設(shè)計(jì)。

有關(guān)σ、σth、a、ā和ac的評(píng)定，如圖4-229所示。當(dāng)原始裂紋尺寸a的外加應(yīng)力σ≥σth時(shí)，即開裂，發(fā)生亞臨界擴(kuò)展一直到達(dá)相對(duì)應(yīng)的ac，產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。

當(dāng)原始裂紋尺寸a的外加應(yīng)力σ＜σth ，而a＜ā時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生開裂。

當(dāng)KI≥KISCC時(shí)，裂紋即開裂發(fā)生亞臨界擴(kuò)展。

當(dāng)KI≥KIC，裂紋立即產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。

圖4-229 應(yīng)力腐蝕裂紋開裂評(píng)定示意 1kgf/mm2=9.8MPa

圖4-230 高強(qiáng)度鋼的KISCC與屈服強(qiáng)度的關(guān)系1kgf/mm2=9.8MPa

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

在腐蝕環(huán)境一定時(shí)，應(yīng)力腐蝕裂紋的形式及σth與σs的關(guān)系如圖4-232所示。并見表4-69。

表4-69 SCC形式及σth與σs的關(guān)系

注：1kgf/mm2=9.8MPa

圖4-231 海水中4340鋼的KISCC與KIC的關(guān)系

圖4-232 產(chǎn)生SCC的臨界應(yīng)力σth與鋼的屈服極限的關(guān)系

b.臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC的測(cè)定。

應(yīng)力強(qiáng)度因子KI是一個(gè)力學(xué)量，取決于外加應(yīng)力（負(fù)荷）及實(shí)際裂紋尺寸（包括幾何尺寸的影響），因此KI是和裂紋有關(guān)的力學(xué)量，是材料固有的屬性，與裂紋大小、受力無(wú)關(guān)。

當(dāng)逐漸加載一個(gè)裂紋體（或帶裂紋試樣），裂紋端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子將隨之增大。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI達(dá)到某一定值時(shí)，裂紋將發(fā)生急劇的不穩(wěn)定擴(kuò)展，這一定值即為應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，或稱材料的斷裂韌性。

KC是平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，它和板材或試樣厚度有關(guān)。而當(dāng)板材厚度增加到達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，如果裂紋端部處于平面應(yīng)變狀態(tài)，那么裂紋特別容易擴(kuò)展，斷裂韌值就出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定的低值，稱為平面應(yīng)變斷裂韌性KIC，它反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，是材料的一種力學(xué)性能。斷裂韌性KIC可以按ASTM E399[2]或GB/T 4161[3]規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。

測(cè)定KIC值的基本原理是用一帶裂紋長(zhǎng)度為a的直三點(diǎn)彎曲試件，在試驗(yàn)機(jī)上加力P使試件彎曲。隨著P值增加，KI值也增加。當(dāng)P值低于臨界載荷時(shí)，相應(yīng)的KI值也低于臨界值KIC，裂紋不會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展。但當(dāng)P值大到臨界值時(shí)，裂紋就要開始失穩(wěn)擴(kuò)展，此時(shí)值也已達(dá)到臨界值KIC。繪制P-V曲線，以平面應(yīng)變斷裂韌性的條件值KQ作為KIC。

c.應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率測(cè)定。

當(dāng)KISCC＜KI＜KIC時(shí)，裂紋發(fā)生亞臨界擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)證明，在恒拉應(yīng)力情況下應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt=f（KIi），而KIi =g（ai），即隨著裂紋的擴(kuò)展，a在變，KIi也在變，da/dt的瞬時(shí)值也在變。

da/dt=f（KIi）的具體函數(shù)關(guān)系很復(fù)雜，目前僅依賴于實(shí)驗(yàn)測(cè)定，da/dt-K曲線可分為3個(gè)階段，如圖4-233所示。

圖4-233 da/dt-K曲線

I階段：當(dāng)KI稍大于KISCC，經(jīng)過(guò)一段孕育期，da/dt劇增，即da/dt≈KI2，此階段內(nèi)da/dt對(duì)KI很敏感；

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

Ⅲ階段：當(dāng)KI趨近KIC時(shí)，da/dt劇增，并伴隨著斷裂過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展速度一般不超過(guò)10mm?h-1，遠(yuǎn)比鋼的脆性斷裂速度小，但換算成腐蝕電流密度則可達(dá)1mA?mm-2，比普通的鋼腐蝕過(guò)程要快得多。

d.應(yīng)力腐蝕下壓力容器的壽命估算。

應(yīng)力腐蝕下的壓力容器壽命預(yù)測(cè)是從缺陷的初始尺寸積分到臨界尺寸來(lái)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(guò)無(wú)損檢測(cè)可靠性方法檢出結(jié)構(gòu)中大于該尺寸的缺陷，對(duì)檢出的缺陷進(jìn)行維修或更換相應(yīng)的零部件，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在指定壽命期內(nèi)的安全。

i.斷裂力學(xué)法

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

若a＜ā，可不考慮應(yīng)力腐蝕問題；

若a＞ā，需根據(jù)da/dt=f（KIi）曲線來(lái)估算壽命tIi。

估算實(shí)際壓力容器的tIi時(shí)，為了安全和簡(jiǎn)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(rèn)為該階段CPR為常數(shù)A。

相當(dāng)?shù)偷腃PR使得實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)周期相當(dāng)長(zhǎng)，從而使得模擬條件下的SCC試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)較少，且相當(dāng)一部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較分散，這給SCC壽命預(yù)測(cè)帶來(lái)了很大的困難。目前所發(fā)展的高溫水中的SCC壽命預(yù)測(cè)有其自己的特點(diǎn)，即多數(shù)采用確定性方法通過(guò)計(jì)算裂紋擴(kuò)展階段的CPR來(lái)估計(jì)相關(guān)條件下的設(shè)備剩余壽命，如GE（通用電氣公司）的Ford和Andresen根據(jù)滑移-溶解機(jī)理提出的SCC預(yù)測(cè)模型（slip-dissolution,S-D）、D.D.Macdonald和U.Macdonald環(huán)境耦合斷裂模型（coupled-environment fracture model,CEFM）、A.Turnbull模型、Jiang及Staehle提出的化學(xué)/力學(xué)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(yōu)點(diǎn)在于其能夠提供對(duì)控制變量的機(jī)理性的認(rèn)識(shí)，從而可以評(píng)估操作環(huán)境的影響，但其局限性在于由于不同模型所采用的假設(shè)條件不同而使得模型在有關(guān)實(shí)際工程的適用性方面常引起爭(zhēng)論[1]。

ii.統(tǒng)計(jì)分析方法的運(yùn)用

R.N.Parkins等運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法成功地進(jìn)行了油氣管道的SCC壽命預(yù)測(cè)。由于現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室高溫水中的SCC裂紋萌生與擴(kuò)展數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)特征，采用統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)進(jìn)行核電材料SCC壽命分析有其理論基礎(chǔ)。R.Post等人提出基于統(tǒng)計(jì)分析的SCC壽命因子理論，運(yùn)用該理論成功地確認(rèn)采用核電級(jí)316不銹鋼替代易發(fā)生SCC的304不銹鋼的可行性。K.Yamauchi等人提出了用一個(gè)稱為F因子的參數(shù)來(lái)表示給定SCC體系與參照SCC體系SCC壽命之間的比例，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)室SCC壽命數(shù)據(jù)得出各個(gè)影響因子的壽命因數(shù)，該方法在評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)方面有一定作用。P.Scott等人的研究結(jié)果表明，Weibull分布可用于600合金在PWR一回路水中SCC（PWSCC）的預(yù)測(cè)，Weibull分布參數(shù)可較好地預(yù)測(cè)外加應(yīng)力、溫度以及材料SCC敏感性等的影響，Monte Carlo模擬則是用于驗(yàn)證預(yù)測(cè)相關(guān)性的一種有效的方法[1]。

03 在役壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂的處置

應(yīng)力腐蝕是壓力容器最危險(xiǎn)的腐蝕形式，除了須要做好預(yù)防工作外，對(duì)于已發(fā)生SCC的壓力容器，又常常須要繼續(xù)使用，這樣問題來(lái)了，如何才能保證這些容器的安全運(yùn)行：

①檢驗(yàn)。

對(duì)于在使用過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂的壓力容器，應(yīng)首先進(jìn)行全面檢驗(yàn)，檢驗(yàn)以表面檢測(cè)為主，確定裂紋位置、深度和長(zhǎng)度。檢驗(yàn)前必須根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和介質(zhì)等情況正確地確定檢驗(yàn)的重點(diǎn)部位，制訂出合理的檢驗(yàn)工藝，并嚴(yán)格按檢驗(yàn)工藝實(shí)施檢驗(yàn)，確保表面裂紋性缺陷的檢出，防止錯(cuò)檢、漏檢。重點(diǎn)檢驗(yàn)部位有：

a.容易造成液體滯留或固體物質(zhì)沉積的部位，如容器底部，底封頭等；

b.連接結(jié)構(gòu)中容易形成縫隙死角的部位，如脹接結(jié)構(gòu)，容器內(nèi)支承件等；

c.應(yīng)力集中部位，如容器開孔、T型焊結(jié)構(gòu)等，焊縫缺陷部位，錯(cuò)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(nèi)的局部過(guò)熱區(qū)；

f.容器進(jìn)料口附近和管口對(duì)面壁體；

g.返修補(bǔ)焊部位等。

②返修。

根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，制定返修方案。返修方案須在確保消除所有裂紋的同時(shí)，不得使返修部位的材質(zhì)劣化。消除裂紋后，應(yīng)首先對(duì)消除裂紋后的凹坑缺陷進(jìn)行安全評(píng)定，對(duì)于安全評(píng)定允許存在的凹坑，不進(jìn)行補(bǔ)焊處理。大面積的裂紋缺陷，應(yīng)盡可能采用挖補(bǔ)的方法修復(fù)。對(duì)于消缺產(chǎn)生的凹坑或挖補(bǔ)部位的補(bǔ)焊和焊接修復(fù)須采取以下措施：

a.嚴(yán)格控制焊接預(yù)熱溫度、層間溫度和后熱溫度及時(shí)間；

b.對(duì)低合金鋼的返修，補(bǔ)焊或焊接宜選用低強(qiáng)度酸性焊條，如J502焊條，因其氧化性藥皮可將擴(kuò)散富集至焊接接頭處的氫反應(yīng)消耗一部分，從而能有效降低焊接接頭中的氫含量；

c.對(duì)返修補(bǔ)焊的焊接接頭進(jìn)行嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)檢查；

d.熱處理。降低焊接接頭處的殘余應(yīng)力和硬度。如對(duì)球罐進(jìn)行高溫回火熱處理，既可使低合金鋼焊接接頭熔合區(qū)的馬氏體組織分解，又可降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，還能使焊接接頭處的氫部分逸出。硬度測(cè)點(diǎn)的沖擊痕須在熱處理前打磨消除。實(shí)踐證明16Mn鋼通過(guò)焊后熱處理可改善耐應(yīng)力腐蝕性能，達(dá)到安全水平。

③防護(hù)

a.表面處理。對(duì)于碳鋼或低合金鋼容器，特別是發(fā)生了濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的容器，采用噴砂處理，消除所有腐蝕產(chǎn)物，是防止今后容器在使用過(guò)程中再次發(fā)生SSCC的重要方法。對(duì)完成檢驗(yàn)、補(bǔ)焊或焊接修復(fù)的容器，內(nèi)部采用噴丸硬化技術(shù)，可以有效地提高容器的抗SCC性能；

b.內(nèi)部采用覆蓋層防腐；

c.不銹鋼等耐蝕合金容器的應(yīng)力腐蝕裂紋消除后，須按原焊接工藝評(píng)定的焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊或焊接。必要時(shí)，須要進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證；

d.采取措施降低焊接接頭殘余應(yīng)力，如振動(dòng)法可以降低局部殘余應(yīng)力。改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低外加應(yīng)力和容器局部應(yīng)力集中；

e.聲發(fā)射技術(shù)用來(lái)對(duì)壓力容器的應(yīng)力腐蝕過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度及其變化可以較準(zhǔn)確判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況，定量確定壓力容器的服役年限或檢修周期；

f. 采取工藝措施，消減介質(zhì)腐蝕性組分，或改變介質(zhì)組分防止SCC發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂戰(zhàn)鵬，楊武。遭受應(yīng)力腐蝕開裂的設(shè)備壽命預(yù)測(cè)技術(shù)[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，1999.11（1）：57-64

[2] ASTM E399-20a.Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials[S]

[3] GB/T 4161-2007.金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法[S]

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