压力容器寿命评价技术研究

冯 驰

（宁夏回族自治区锅炉压力容器检验所，宁夏 银川750001）

0 引言

在没有依据的情况下报废压力容器，会给企业带来带来经济损失，但如果盲目使用已经失效的压力容器，一旦发生事故，不仅会使整个压力容器的结构遭到破坏，而且还会造成人身事故，带来更大的灾难。因此，如果能采取一套行之有效的方法，对这些设备经过严格的非破坏性检验和材质的调查，并正确诊断之后，能比较精确的评价其寿命，则会带来极大的利益。因此，各国对如何正确评价压力容器寿命的技术进行了积极而广泛的研究。

1 评价压力容器剩余寿命的方法

当定期地使用非破坏性检测仪器，检测出裂纹和裂纹性缺陷时，就可以根据下式计算出压力容器的剩余寿命（时间）。

式中：C和M为常数，它与材料的断裂韧性和裂纹扩展速度有关。 M 为 Taylor因子，它等于（cosφ·cosλ）－1，其中 φ 为拉伸轴与滑移面法线之间夹角，λ为拉伸轴与滑移方向之间夹角；a为裂纹或裂纹性缺陷的长度；acr与临界裂纹的长度，它可用下式计算出来。

式中：Q 为应力强化系数，它等于［1＋ln（1＋X／a）］，其中 X 为缺口脚部的距离，Kic为裂纹断裂韧性，σ为应力。

上式说明，压力容器的剩余寿命，就是被检出的裂纹缺陷长度a，当其扩大延伸时达到引起该材料发生脆性断裂的临界裂纹长度acr的时间。要想对压力容器寿命进行计算，则必须有如下六方面的数据：

①材料的化学成分（也就是所谓的J—因子）；

②在零度以上的材料夏氏V型冲击吸收能量；

③在零度以上的材料的屈服应力；

④有关裂纹的长度和形状的系数；

⑤时间；

⑥应力。

2 预测材质的劣化

预测材质劣化的主要性能是材料的回火脆化。代表材料的回火脆化可以有很多参数，但最主要的是所谓的FATT——脆性转变温度。

压力容器大多是用碳钢和低合金钢制造的，这些钢种都具有体心立方晶体，其韧性随温度改变而变化的敏感性远大于面心立方晶格的金属（如 Ni，Cu，奥氏体钢等）。而且试验证明，低合金钢的韧性随温度降低而逐渐减小，并且在一定临界温度范围内韧性会显著减小，该临界温度称为转变温度。体心立方晶体金属脆性特点就是存在着这种脆性转变温度。在工程中常采用的转变温度标准是由夏氏V型缺口冲击试验所确定的转变温度，而最常用的是用冲击试样断口外貌来确定FATT。一般说来，随着试验温度降低，冲击试样断口会由纤维状转变为脆性断裂时颗粒状断口，现时都是采用纤维状断口（或颗粒状断口）百分数达到某一规定值（通常是50%）时的温度作为转变温度，常用50%FATT表示。FATT的实际意义是，因钢材的韧性随温度降低而逐渐减小进而趋于脆化，故在防止结构脆断中，人们采用最低工作温度作为抗脆断设计和选择材料的依据。还规定了在最低工作温度时所需要的冲击韧性。 各钢种的 FATT 又与 J—因子［＝（Si+Mn）（P+Sn）］×104（重量）%，x（＝10p+5sb+4Sn+As）×10-2，以及使用时间等有密切的关系。这些数据可以从有关手册中查到。例如，对于2*1/4*cr-1Mo钢来说，当使用时间—定时，J—因子越大的材料，其 FATT就向高温移动。譬如，使用时间为10万小时，J—因子为 J300时的 FATT约为120℃，J273时的 FATT约为 95℃，J212的 FATT约为 52℃，J150的 FATT约为 20℃，J100的 FATT约为 0℃。

3 由FATT推算K1H（下临界应力扩大系数）

由非破坏性检验测出的缺陷和裂纹，它们并非全部都是有害的缺陷或裂纹。只有那些能扩展的裂纹才会影响压力容器的安全性和使用寿命。例如，在有氢存在下，由于它会使裂纹扩展，使得检出的缺陷或裂纹的 KI（应力场强度因子）超过K1H 时，即 KI≥N1H，该裂纹就会扩展。KI的定义是。其中K为应力场强度因子，下标I是表示I型（张开型）裂纹。y是与裂纹形状、试样类型和加载方式等有关的量，例如，对于无阻宽板中心贯穿裂纹来说，其为外加应力，a为材料内裂纹长度。由其定义可见，KI随着外加应力的增高而增大。KI的增大使裂纹前沿各点的内应力也随着增大。当KI增大到等于某一临界值时，就会使裂纹前端某一区域内的内应力等于脆性材料的断裂强度。这时裂纹前端的材料将分离，该裂纹就失稳而扩展，从而导致脆断。

K1H与下临界应力扩大系数，它与材料的退火脆化有着密切的关系。譬如，对于2.25Cr-1MO钢来说，当含氢量为2.0-2.5ppm时，K1H将随着FAlT的增高而降低。并有如下关系。

因为材科的退火脆化程度不同，其 K1H值也不相同，所以必须求出与材料退火脆化程度相对应的K1H值。

4 根据夏氏 V型冲击吸收能量计算 KIc（裂纹断裂韧性）

如上节所述，裂纹失稳扩展到临界状态所对应的应力场强度因子，被称为临界应力场强度因子，用KIc表示。KIc通常称为材料的断裂韧性。它的物理意义是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的量度。

在实际评价压力容器的寿命时，必须推算出该材料的断裂韧性。当然推算材料的断裂韧性的方法很多，而最方便和可靠的是由夏氏V型冲击试验结果来决定。例如，对2十钢而言，在FATT高于0℃以上的区域，则有如下Roife-Novak的经验公式可以利用。

其中，KIc为在FATT为0℃以上时的断裂韧性，其单位为MPa/M；CVN-us为夏氏V型冲击试验的吸收能量，单位为J；σy为材料的屈服强度，单位为MPa。

同时还可以将KIc随FATT的变化作成一个通用图表，并由该图可以查出在不同置信度下与FATT相对应的KIc来。并从而可以进一步得出经过长时间使用后该压力容器制造材料的KIc值。

5 计算残余应力

如上所述，Kl是与裂纹长度的0.5次方成正比，并与内应力（残余应力）成正比。并且，残余应力是压力容器安全性的一个重要标志。因此，压力容器结构材料中存在的残余应力是很重要的一个因素。但是要测定材料中的残余应力又是十分因难的。因此，一般是将残余应力计算在作用应力之内，并取总合成应力为材料的屈服应力值，但这样计算出的压力容器寿命会明显缩短。因此，如何正确地考虑残余应力是预测压力容器寿命的重要问题之一。造成材料中的残余应力主要有如下两方面，即由于热膨胀系数差引起的残余应力σR1和由于结构曲引起的残余应力σR1。

①由于热膨胀系数蟹引起的残余应力

②由于结构物引起的残余应力

③残余应力的推算

6 压力容器的氢脆

氢裂纹的扩展。一般认为氢裂纹的扩展过程是当氢向较高应力区扩散，该区的应力水平和氢含量在局部地区达到临界值时就发生开裂。尔后，氢又向高应力区扩散，经一定的孕育期后在裂纹尖端再次出现临界状态，于是氢的第二次开裂又发生。这个过程不断反复，使裂纹尖端的氢裂纹不断形成和扩展，最后导致断裂。

要定量地评价压力容器的氢断裂，则必须定量的知道氢裂纹扩展的速度。对氢裂纹扩展速度的研究表明，氢裂纹扩展具有三个不同的阶段。

7 结束语

总之，电站氢气压力容器作为压力容器中的重要非热力系统压力容器，主要负责存储供发电机冷却使用的氢气，在电厂的安全生产中占有举足轻重的位置，对电站氢气压力容器进行安全性能评定的研究具有重要的理论价值和实际意义。

［1］李培宁.在用压力容器安全状况等级评估与缺陷评定[J].压力容器,1991,8(3)：65-70.

［2］压力容器安全评定规程编写组.在役含缺陷压力容器安全评定规程[S].1995.