八五攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”概况

陶雪荣

(中国特种设备检测研究院 北京 100029）



八五攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”概况

陶雪荣

(中国特种设备检测研究院 北京 100029）

摘 要：在特种设备安全科技发展历程中，“八五”国家科技攻关课题发挥了树品牌、奠基业的关键作用([1])，具有里程碑意义。本文以 “八五”国家重点科技攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”研究总结与评价报告([2])为基础，对课题的整体情况和取得的主要成果等做了概括性归纳，旨在记录历史，提供借鉴。

关键词：在用压力容器安全评定 “八五”攻关课题 整体情况 成果简介

Overview on the Eighth Five Key Issues “Safety Assessment and Explosion Prevetion Technology of the In-service Boiler Pressure Vessel”

Tao Xuerong
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Abstract The Eighth Five national science and technology research project has played a key role of building brand and establishing heritage in the development process of special equipment safety technology. Based on the Eighth Five Key Issues “Safety Assessment and Explosion Prevetion Technology of the In-service Boiler Pressure Vessel”, this article makes a general induction on the subject of the overall situation and the main achievement in order to record history and provide reference.

Keywords Safety assessment of in-service pressure vessel Eighth Five key issues Whole circumstance Achievement introduction

1 课题任务

“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”是由劳动部主持的“八五”国家重点科技攻关项目“劳动安全关键技术”中的一个课题(编号:85-924-02)，课题的核心任务是为我国近40万台存在各种严重缺陷压力容器的科学治理，提供可靠的技术途径和方法。

该课题由九个专题组成，中国特种设备检测研究院负责组织实施。9个专题的名称、考核指标和负责单位见表1。

表1　专题设置一览表

编号　专题名称　提交成果形式及考核目标　负责单位06在役压力容器危害性缺陷的超声检测可靠性研究1、提出缺陷自身高度超声检测工程方法2、对于危害性缺陷给出对应一定置信度的“缺陷尺寸～检出概率”曲线中国特种设备检测研究院07在役锅炉压力容器接管角焊缝超声检测技术研究与设备研制1、提交角焊缝自动超声检测仪样机，其精度达到：缺陷定位误差≤10%缺陷定量误差≤3～5mmmm2、提出角焊缝超声检测推荐方法哈尔滨焊接研究所08在役压力容器危险性缺陷声发射检测评估技术研究与设备研制1、提高深埋裂纹声发射检测精度20% 2、提出典型表面裂纹声发射信号鉴别方法与检测评估技术3、提交适于气体、液体介质泄漏的声发射监测方法及设备样机4、提交具有八十年代中后期国际商品水平的32通道声发射仪样机中国特种设备检测研究院09压力容器防爆与抑爆技术研究1、提供具有如下功能的新型组合式安全阀样品：①超压动作灵敏，泄放压力允差≤±5%启闭压差<±15%；②在线正常使用与动作后再闭合，密封不漏；③排放出的易燃易爆有毒介质去向安全2、根据有关技术，对具有严重缺陷的在役压力容器通过适当加强措施达到抑爆要求；提交实施绕带加强防爆技术的设计与应用推荐方法大连理工大学浙江大学

2 总体执行情况

全国46个单位的260名教授、研究员和工程技术人员参加，在只有282万元研究经费的情况下,经过近4年（1992.3～1995.11）的团结协作、艰苦奋斗、共同努力、甘于奉献，解决了30多项关键技术，取得了9大项的41个独立成果，提出9份标准草案和56份研究报告，发表129篇论文，研制8种检测仪器/防爆/抑爆装置。成果在300多项在用压力容器检测评估项目中成功应用，取得了3亿元（由当时企业开具的效益证明统计得出）的企业经济效益和巨大的社会效益，得到了政府和企业的高度好评。

3 成果简介

课题九个专题的研究成果,经劳动部组织专家鉴定，1个专题属国际领先水平、7个专题达国际先进水平、1个专题居国内领先水平。

3.1 锅炉压力容器爆炸与失效案例、安全评估数据及分析管理系统研究

完成了系统总体设计与系统建立，包括爆炸与失效案例数据库、安全检验信息数据库和常用材料断裂特性数据库及相配套的软件。系统具有多种功能，三个数据库已存贮了攻关目标要求的数据量，就系统的先进性、适用性、信息存贮量和它的功能等，均在国内锅炉压力容器安全工程领域居于国内领先地位。

3.2 在役压力容器对接焊缝面型缺陷弹塑性断裂分析与评定研究 国际先进、部分国际领先

1）首创了考虑裂纹间弹塑性干涉效应并能在失效评定图上完成裂纹群弹塑性断裂评定的工程方法，居国际领先水平。

2）提出了能处理二次应力的弹塑性断裂参量和弹塑性断裂分析方法,完善了各级评定中处理二次应力的工程方法,提出了比国外更为科学的评定二次应力的ρ因子，居国际领先水平。

3）在计算了我国各种压力容器用钢的不同结构处不同裂纹的800条J积分失效评定曲线的基础上，导出了真正意义上保守的通用失效评定曲线。

4）首创在一个焊接接头试件上用多剖面法测定焊缝区各部位JlC的工程方法。

5）给出了利用EPRI延性断裂手册估算非ROR材料结构缺陷J积分的“塑性多段幂次法”工程计算方法。

6）提出了带缺口试样失效评定图技术和未焊透缺陷断裂韧度测试及断裂评定方法。

7）提出三种我国压力容器常用压力容器用钢焊接接头七个部位的JR阻力曲线及JlC测定值。

8）进行双向载荷、拉弯载荷、非恒幅载荷下焊接接头表面裂纹扩展速率试验研究,为制定规程提供了依据。

9）综合编制了以失效评定图技术为主线的“焊接压力容器面型缺陷断裂评定推荐方法”。

3.3 压力容器极限载荷与安定性分析及体积型缺陷安全评估工程方法研究 国际领先

1）提出了结构塑性极限与安定性上、下限分析的降维叠代法、无搜索直接叠代法和温度参数法等三种数值计算方法。这些方法各有创新，其共同特点是运算速度快、收敛性与稳定性好、精度可靠，大幅度减小了计算规模，突破了复杂结构极限与安定性分析计算量过大的限制，解题速度是现有计算方法的4～5倍，为一般承压结构（装备）的极限分析提供了通用、高效和可能的计算工具。

2）在大量带凹坑压力容器弹性、弹塑性应力应变计算、极限与安定性分析、实验测试和爆破实验的基础之上，用单参数表征凹坑缺陷的危害程度，建立了小G0值的整体破坏和大Go值的局部泄漏两种不同的失效模式，给出了形式简捷、物理意义明确的塑性极限载荷和弹性应力集中单参数计算公式，最终提出了科学、安全、经济、实用的含凹坑缺陷压力容器免于评定条件和塑性失稳评定方法。

3）通过大量含气孔、夹渣压力容器弹性、弹塑性应力应变计算、极限载荷分析、测试和爆破实验，用单参数和孔渣X分别表征大气孔、条渣和小气孔、点渣的危害程度，建立了局部泄漏和整体破坏两种不同的失效模式，给出了形式简捷、物理意义明确的单参数塑性极限载荷和弹性应力集中计算公式，最终提出了科学、安全、经济、实用的含气孔、夹渣压力容器免于评定条件和塑性换稳评定方法。

4）通过含气孔、夹渣压力容器疲劳试验研究，探索采用模糊集理论和人工神经网络等现代工具进行处理的可能性，建立了适用于含焊缝缺陷容器疲劳评定的模糊疲劳评定图，并在此基础上进一步编制了相应的专家系统。

3.4 在役压力容器接管高应变区安全评估技术研究 国际先进、部分国际领先

1）接管高应变区的断裂参量研究,给出了该部位应力集中系数计算法,提出了该部位典型缺陷的应力强度因子和裂纹张开位移、断裂推动力的估算式。

2）接管高应变区缺陷初级评定方法的研究,提出考虑外载综合作用下的组合应力叠加法,推荐了该部位缺陷的规则化方法,并提出用于该部位的新的COD设计曲线。

3）接管高应变区缺陷弹塑性断裂分析与评定研究,提出了针对我国钢材和接管的通用失效评定曲线和失效评定图。

4）接管高应变区缺陷疲劳扩展与寿命预测研究,取得突破性进展,确定了疲劳裂纹扩展的控制参量,提出了该部位应力强度因子与疲劳扩展速率的计算法,提出了三类表面裂纹在拉、弯、拉弯组合的载荷下描述疲劳扩展形貌变化的统一表达式。

5）接管高应变区应力应变场分析研究,提出用三参数表征该部位应力应变场应力分布的统一表达式和应力集中估算式,研究了超载和焊接残余应力对该部位应力应变场的影响并提出了相应的工程处理方法。

6）依据局部高应变模型,提出了SCT小试样模拟方法,并用于模拟接管高应变区断裂与疲劳试验研究,取得满意效果,提出了工程结构接管高应变区的断裂推动力和疲劳裂纹扩展速率与裂纹闭合效应的计方法,居国际领先水平。

7)在综合专题的研究成果和综合研究的基础上,首次提出了“压力容器接管高应变区缺陷评定方法指南”草案。

3.5 在役压力容器综合安全评估和安全等级评定研究 国际先进、部分国际领先

●3.5.1 1在役压力容器综合安全评定建议规范的研究与编制

在全面深入分析当代国际相关安全评定规范与研究成果,充分研究继承国内现行规范精华与应用经验,并全面分析吸收其它专题攻关的先进、成熟成果的基础上,通过反复论证与验证,提出了“在役含缺陷压力容器安全评定规程(草案)”及其附录、编制说明和算例。该“规程”集中体现了本研究的成果,其主要内容和基本特点是:

1）对于面型缺陷的断裂评定,采用先进的三级评定技术路线。其中，初级评定继承了国内现行规范之精华，采用COD设计曲线但作了必要的修正并付于失效评定图的形式，主要用于简单的筛选评定；二级评定采用了国际通用的通用失效评定图和取分安全系数方法，但充分吸收了02专题对于处理二次应力影响、裂纹间弹塑性干涉效应、通用失效评定图对我国钢材的适用性等最新研究取得的先进成果，用于常规评定；三级评定则采用了本课题、本专题攻关具国际领先水平的成果--以J积分及撕裂模量T为双参数的断裂评定理论及其优化方法(称EPRI工程优化方法)和配套的微机软件,用于精细评定。对三级评定之间以及本身的理论一致性、科学性、协调性、适用性、可靠性和先进性,均进行了反复论证、验证、比较。

2）对于体型缺陷的评定,在国内外同类规范中，或未以涉及或基于经验处理。本“规程”则采用03专题具国际领先水平的成果--以极限载荷和安定性理论为基础建立起来的凹坑缺陷安全评定方法和本课题、本专题关于安全状况等级评定研究中对于气孔、夹渣等体型缺陷的研究成果。

3）缺陷的疲劳评定，采用经过02、04专题研究反复验证过的国际通用控制裂纹疲劳扩展速率的评定方法,但吸收了专题研究的成果,同时吸收了国际用于体积缺陷疲劳评定的S-N曲线评定方法。

4）对于其它失效模式的安全评定,“规程”也给以了指导性原则。

5）对“规程”的性质、使用原则、基本评定准则、评定程序、所需基本数据与资料及其获得、失效模式的判别、评定方法的选择、评定方法细则以及对评定者的要求,均作了详细的规定与说明，同时附有具体的算例。

●3.5.2 在用压力容器安全状况等级评定及软件开发研究

对在用压力容器的安全状况进行等级评定、划分是中国的独创。但以往只有基于经验的、原则的、简单的、十分保守的规定。本研究在大量的现场调研、缺陷统计、案例分析、数据归纳、缺陷危险度分析和采用多种断裂评定方法进行分析、比较、计算、验证与试验并充分分析、吸收03专题对于体积型缺陷安全评定方法的研究成果和现行安全状况等级评定经验的基础上，确定了各类缺陷安全状况等级评定的不同处理原则、判据和主要参量,提出了研究报告和安全状况等级评定方法,并加以工程化、条文化处理和经200例的验证，编制了“在用压力容器安全状况等级评定推荐方法”和应用实例及相应软件，使安全状况等级的评定与划分建立在更为科学的基础上。

●3.5.3 在役压力容器综合安全评定精细分析方法及软件开发研究

在分析、对比了国际先进的有关弹塑性评价方法规范、手册或研究的基础上,结合在役压力容器的特点,建立了弹塑性起裂和裂纹扩展失稳为主导的双参数弹塑性断裂评定体系及与之相配套的EPRI工程优化方法，并采用“综合安全系数”，较好地解决了平面缺陷常规评定与高级评定之间的合理衔接问题,并编制了优化评定软件,可进行裂纹扩展全过程的精细评定并能包容二次应力的评定。同时，为国际上二种主要评定路线的融合、统一提供了理论依据和工程方法。研究成果属国际领先水平。

3.6 在役压力容器危害性缺陷的超声检测可靠性研究 国际先进

●3.6.1 超声检测对接焊缝中缺陷自身高度精确测量技术与方法研究

采用了基于“时差方法”的“端点衍射”技术，并配以研制的聚焦探头进行超声测量缺陷高度。通过对含人工制造各种自然缺陷的200多块试样的试验研究与解剖验证和实物容器应用,成功地找到并建立了精确测量缺陷自身高度的超声检测技术方法,测量缺陷最小高度可小至1mm，精度误差0～0.5mm，实现了测高技术的突破。

●3.6.2 超声检测可靠性研究

以缺陷高度作为特征尺寸，得到了在一定置信度下的“缺陷尺寸--检出概率”曲线，首创我国超声检测可靠性研究，成果先进。

3.7 在役压力容器接管角焊缝超声波自动检测技术研究与设备研制 国际先进

●3.7.1 自动检测技术研究

解决了在变曲率扫查面上探伤缺陷定量、定位的数理模型和测量技术，解决了探头的聚焦技术，建立了探头作空间马鞍形轨迹运动的位置坐标的数学模型。

●3.7.2 超声自动检测仪器研制

设计、研制了铝透镜聚焦探头、具有多探测方向的自动扫查器、具有缺陷信号自动采集、存贮、处理、图像二维显示与自动打印等功能的自动探伤仪及相应软、硬件，完成了样机制造、测试和工业环境抗干扰试验及工业应用验证，并编制了相应的检测标准草案。

3.8 在役压力容器危险缺陷声发射监测、检测评估技术研究与设备研制 国际先进

●3.8.1 压力容器危险性缺陷声发射检测评估技术研究

详细系统地研究了压力容器上典型表面裂纹和深埋裂纹的声发射信号特征，首次有效地实现了以时差定位源为主要判据的压力容器上典型表面裂纹和深埋裂纹的声发射信号鉴别，提出的“金属压力容器声发射检测及结果评价方法”标准(草案)，首次给出了以时差定位源为主要判据的声发射信号源分类方法；率先采用现代谱分析方法和人工神经网络相结合的模式识别方法对压力容器加载产生的各种声发射信号进行分析和处理,所编制的人工神经网络能有效地进行声发射源信号模式识别、区分裂纹扩展与其它噪音源引起的声发射信号差别。

●3.8.2 压力容器气液介质泄漏的声发射监测评估技术研究

解决了气/液泄漏声发射信号特征与鉴别技术，采用适用的均方根电压为特征参数，研究解决了泄漏量与声发射信号关系以及监测、评价方法，建立了监测系统并经应用考核。

●3.8.3 八通道声发射泄漏监测仪研制

采用PC总线功能卡设计,配上Windows环境下开发的、面向监测对象的支持软件，可在线连续、实时、自动监测泄漏，具有智能化仪器优点,工作可靠。

●3.8.4 多通道(8～32通道)声发射检测仪(系统)的研制

硬件设计采用PC AC总线，具灵活的升级能力，系统的采集、分析软件采用中文Windows工作环境，可同时采集声发射信号的九个特征参数，具有强大的实时采集、显示、定位功能和强大的分析处理功能等。

3.9 压力容器防爆与抑爆技术研究

●3.9.1 压力容器防爆技术研究 国际先进

1）易燃气体爆炸超压特性与紧急安全泄放技术研究。提出了分析模型，研究了燃爆等情况下的各种特性，编制了燃爆泄放数值计算程序，对各种化工流体的超压过程进行了摸拟与计算，进行了燃爆泄放试验与设计，确定了工业应用的紧急泄放方案并在工业实用。

2）特种爆破片的研制。成功地攻克了刻槽技术，研制成功两大类七系列特种爆破片，经10万次以上压力循环试验，动作灵敏准确，动作响应时间达毫秒级，性能稳定，泄放面积大，无碎片。获5项国家专利，并批量生产了887批次产品，在数十家企业应用。

3）双作用先导式安全阀的研制。研制的新型安全阀具有双重防超压功能，并兼有传统弹簧安全阀与现有先导式安全阀之优点，已研制成功两种类型产品，获国家发明专利并已批量生产数十台，在多家企业应用。

4）新型隔离(组合式)安全阀的研制。该产品是安全阀与特种爆破片的组合结构，兼有二者优点，成功解决了结构的优化组合，研制成功并投入试用。

●3.9.2 压力容器抑爆技术研究 国内外独创、国内领先

1）轴向弧形贴板绕细抑爆技术研究。经加强结构力学分析试验，可起阻止裂纹扩展作用、实现抑爆延寿，已获中国发明专利，属国内外独创技术。

2）压力容器抑爆检漏式在线安全监控技术与装置研究。用于抑爆结构压力容器，设置保护外壳和泄漏检测、收集、报警与分析处理系统，实现泄漏的在线监控，已在浙江巨化进行工业应用，获中国发明专利，属国内外独创技术。

4 成果应用

本课题的主要任务是为我国40万台存在各类严重缺陷的压力容器，提供急需的准确检测和科学评价的方法，以便实施可行的综合治理，保证设备运行安全。因此，研究成果在课题实施期间已经得到一定范围的应用。

4.1 安全评估方面的成果

课题实施期间，研究成果在秦山核电厂、上海高桥化工厂、吉林有机合成厂、北京燕山石化公司、昆明钢厂等全国石油、化工、石化、冶金行业的50多家企业的压力容器检验与评估中应用，为企业带来2亿多元的经济效益。仅对秦山核电厂T-4密封壳的安全评估与寿命预测一项，就保证该设备安全运行20个月，避免停工损失，多发电数十亿千瓦时，经济效益逾亿元。凹坑缺陷评定的研究成果在40多家企业的应用中，也为企业带来6000多万元的经济效益。安全状况等级评定研究成果，在全国200多台压力容器检验中应用，取得了巨大的社会、经济效益。

4.2 超声和声发射检测技术方面的成果

课题实施期间，研究成果在镇海石化总厂、齐鲁石化公司化肥厂、洛阳石化公司、深圳煤气公司等单位的26个检测、评估项目中，对150多台压力容器进行了实用，为企业带来近2000万元的经济效益。1993 年,深圳市发生“八・五”特大火灾爆炸后，因几家主要液化气公司的40台大型压力容器受爆炸冲击波严重影响，被迫停止供气，全市居民用气告急。在深圳市政府的要求下，08专题组约请数家单位，应用最新攻关成果,为40台大型容器进行紧急检测与评定，既确保了容器的安全，又赢得了宝贵的时间，既为企业减少了上千万元的损失,又为稳定人心和社会秩序做出了贡献。

参考文献

[1] 陶雪荣，沈功田，俞跃，等．特种设备安全科技发展回望[J]．中国特种设备安全，2015，31(6)：22-32.

[2] 李学仁，陈钢，陶雪荣，等．“八五”国家重点科技攻关课题“在役锅炉压力容器安全评估与爆炸预防技术研究”研究总结与评价报告[R].

收稿日期：（2016-02-10）

作者简介：陶雪荣(1958～)，女，研究员，中国特种设备检测研究院副总师，长期从事科技管理工作。

文章编号：1673-257X(2016)03-0030-05

DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2016.03.007

中图分类号:X924.2

文献标识码：B