含轴向穿透裂纹Q345R 圆筒的断裂力学评定

国金莲，李琪，唐卉，石乾宇

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

承压设备在使用之初或在服役以后难免出现缺陷，对于存在缺陷的承压设备已经不能采用传统的强度理论进行评价，而需要根据以断裂力学为基础的方法进行评价。从20 世纪70 年代起，许多国家相继颁布了评定承压设备缺陷相关规范，并广泛应用于工程实践中，与此同时，断裂力学的迅速发展也使这些规范不断地修订和完善，所采用的方法已经从以线弹性断裂理论为基础的评定方法发展到以弹塑性断裂理论为基础的COD 设计曲线法、J积分工程估算法及双判据失效评定法（FAD），基于弹塑性断裂理论的承压设备缺陷评定方法已经在国内外标准中得到广泛应用[1]。

某电厂除氧设备在运行中出现了约200 mm 长的轴向穿透裂纹，内部为高温汽水介质。由于电厂负荷要求暂不能停机维修，因此需要对该设备的安全性进行评定，本文首先根据GB/T 19624—2019[2]中的FAD 方法对裂纹进行评定，其次采用弹塑性有限元方法计算裂纹尖端的J积分，与运行温度下Q345R 的断裂韧性进行比较，综合评估该轴向裂纹的安全性。

1 FAD 评定

FAD 评定方法以裂纹张开位移理论为基础，最早在英国R6 规范中应用[3]，失效评定图见图1，其纵坐标Kr代表结构对脆性断裂的阻力，具体指施加载荷作用下的应力强度因子与以应力强度因子表示的材料断裂韧性的比值，横坐标Lr代表结构对塑性失稳的阻力，具体指引起一次应力的施加载荷与塑性屈服极限载荷的比值，表示载荷接近于材料塑性屈服极限载荷的程度。安全区由失效评定曲线（FAC）围成。参照GB/T 19624—2019 中平面缺陷常规评定程序，评定步骤为：

（1）缺陷的表征；

（2）应力的确定；

（3）材料性能数据的确定；

（4）应力强度因子KIP的计算；

（5）Kr的计算；

（6）Lr的计算；

（7）安全性评价。

表1 给出了所评定圆筒的基本参数。

表1 圆筒参数Table 1 Parameters of cylindrical shell

评定过程如下：

缺陷的表征。裂纹长度a= 200 mm。

应力的确定。由于筒体外侧保温良好，其厚度方向温差很小，因此忽略厚度方向的温差应力，轴向裂纹所承受的应力为筒体的环向应力。

图1 通用失效评定图Fig.1 Failure assessment diagram

图1 中可看出评定点位于FAC 曲线下方，评定合格，裂纹不会失稳扩展。

2 J 积分计算

2.1 网格及材料属性

网格划分采用Ansys 软件中提供的20 节点SOLID186 实体单元，对裂纹附近及裂纹尖端单元依次进行加密，如图2 ～ 3 所示。

图2 圆筒整体网格Fig.2 Mesh of cylindrical shell

图3 裂纹区域网格Fig.3 Mesh of crack zone

Q345R 为典型的压力容器用钢，具有较好的延性，且在高温下延性更为明显。因此本文采用弹塑性本构关系进行圆筒的应力分析，进而计算裂纹尖端J积分，参考ASME Ⅷ-2 附录3.D 的方法可以得到200 ℃时Q345R 的应力-应变曲线，如图4 所示。

图4 材料应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of material

2.2 边界条件

圆筒一端约束环向和轴向位移，另一端施加内压产生的等效力，圆筒内壁表面和裂纹表面施加内压，如图5 所示。

图5 边界条件Fig.5 Boundary conditions

2.3 计算结果

图6 裂纹尖端J 积分Fig.6 J-integral of crack tip

3 结束语

本文首先采用FAD 方法对Q345R 圆筒轴向裂纹进行安全评定，其次采用弹塑性有限元方法计算了裂纹尖端的J积分，并参照文献中的拟合公式计算了200 ℃时Q345R 的断裂韧性，综合评估了该轴向裂纹的安全性，为现场维修时机选择提供一定指导。但目前Q345R 材料在高温条件下的断裂韧性数据还鲜有报道，因此，要更准确地评估高温条件下含缺陷压力容器的安全性，更多的材料性能试验工作还有待开 展。