高溫壓力容器的殘余壽命

? 高溫壓力容器的研究目前還很不充分，而在工業(yè)上的應(yīng)用卻已有幾 十年的歷史，以前設(shè)計并投產(chǎn)的高溫壓力容器大多數(shù)是保守的，所 以現(xiàn)在工業(yè)界面對著大量的“超期服役”的高溫壓力容器，其使用 期遠(yuǎn)超過105h，這些壓力容器能否繼續(xù)安全服役，是工業(yè)界普遍關(guān) 心的問題。另一方面，也有一些較新的容器，雖然設(shè)計壽命未到， 但在定期檢查中發(fā)現(xiàn)了裂紋，在此情況下，還能有多少殘余壽命， 是否需要焊補(bǔ)，也是工程師關(guān)心的問題。 

? 殘余壽命問題可分為兩類：第一類是未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋但材料已經(jīng)過 長期使用(高溫和應(yīng)力下)，還能用多久；第二類是發(fā)現(xiàn)了宏觀裂紋， 裂紋的擴(kuò)展速率如何，還有多少時間會達(dá)到臨界尺寸。

(一)未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的材料

? 對這種材料，無損檢測是無能為力的。表面金相也未必能代表整個 材料的內(nèi)部情況，因此，往往必須取樣分析。

? 取樣以后，最老實的辦法是重做蠕變或持久試驗。但這種試驗曠日 持久，解決不了工程上迫切需要決策的問題，例如，要決定下一次 大修中要不要換下。工程上很早就采用加速試驗法，即提高試驗溫 度和應(yīng)力水平，然后外推到工作溫度和工作應(yīng)力水平。最早獲得廣 泛應(yīng)用的是20世紀(jì)50年代Larson-Miller提出的參數(shù)外推公式：

如在較高溫度與較高應(yīng)力下做實驗，得到P(s)與s的關(guān)系曲線，就可外推到較低溫度 與較低應(yīng)力下，計算出JR。

? 由于Larson-Miller法不盡完善，近三十年來有相當(dāng)多的學(xué)者發(fā)展 了各種不同的參數(shù)外推法，總的目標(biāo)是要通過加速試驗來外推需要 長時間試驗才能得到的、實際工作溫度與工作應(yīng)力下的壽命數(shù)據(jù)， 對已使用過的材料，這就是殘余壽命估計。 

? 除參數(shù)外推法外，還有一些其他的估計殘余壽命的方法，如“蠕變 內(nèi)應(yīng)力法”等。

(二)發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的情況

? 如果在容器或管道的某些部位經(jīng)探傷發(fā)現(xiàn)了宏觀裂紋，這時問題的 性質(zhì)已起了變化，進(jìn)入了高溫斷裂力學(xué)的范疇。 

? 首先是要了解蠕變裂紋的擴(kuò)展速率，并且把它與一個合適的斷裂力 學(xué)參數(shù)聯(lián)系起來。 

? 最初是在20世紀(jì)70年代初，英國針對電站中發(fā)生的由蠕變裂紋擴(kuò)展 而造成的事故以及查出大量的裂紋存在，用同樣的材料進(jìn)行了蠕變 裂紋擴(kuò)展的測試。Siverns和Price提出用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來歸納數(shù) 據(jù)，其公式為：

? 其后的研究表明，用K來歸納蠕 變裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，分散帶很寬。

? 指數(shù)(n≈6，常大于6)很高，影響 外推的準(zhǔn)確性。 

? 從理論上說，在蠕變狀態(tài)下，材 料具有很高的塑性和韌性，用線 彈性斷裂力學(xué)參數(shù)K并不合理。

? 1976年Landes和Begley提出了一個新的參數(shù)，命名為C*，數(shù)據(jù)歸 納公式為：

? C*的提出有一定的理論背景，十幾年來相當(dāng)多的人通過研究對C*得 到較好的評價。從試件結(jié)果來看，用C*參數(shù)有兩個明顯的優(yōu)點，一 是數(shù)據(jù)分散性明顯減小，二是指數(shù)φ(約0.8)較低，有利于外推。 

? 然而C*在應(yīng)用上碰到一個大問題，即實際結(jié)構(gòu)中裂紋的C*值如何算 法，這方面研究還剛開始。對比之下，結(jié)構(gòu)裂紋的K值計算卻有大 量文獻(xiàn)可以參考。

? 目前的狀況是，用K不合理、不完善，但工程上可以應(yīng)付一下急迫 的問題；用C*合理，數(shù)據(jù)歸納較有規(guī)律，但工程上應(yīng)用相當(dāng)困難，相信在今后幾年或十幾年中會有新的進(jìn)展。