含缺陷锅炉大板梁安全性评定分析

王远祥 陈健陵 万丛伟

（1、清洁燃烧与烟气净化四川省重点试验室，四川 成都 611731 2、东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001）

锅炉大板梁是锅炉钢架的重要承载部件，锅炉本体的主要荷载都是通过吊杆传递给顶板，最终通过大板梁传递给钢架立柱，大板梁的承载高达数千吨，其重要性不言而喻，大板梁的安全是整个锅炉系统正常运行的基本保障。

大板梁服役条件相对恶劣，一般都处于高空，在出现缺陷的情况下，更换和加固的难度特别大，若不作处理而发生断裂或塑性失效将产生十分严重的安全质量事故，为保证含缺陷的大板梁能够安全服役，进行大板梁的安全评定十分重要，通过精确地理论计算和科学的安全评定，保证已产生裂纹缺陷的大板梁不会发生裂纹扩展而引起塑性变形失效，又避免不必要的更换和加固而造成巨大的工程量和经济代价。

仅凭传统的材料力学强度理论和钢结构设计方法，已无法对含缺陷构件的安全性做出可靠的判定。而断裂力学理论为研究含裂纹或类裂纹缺陷结构构件的断裂行为提供了有力的手段[1，2]。本文将采取断裂力学方法，运用裂纹尖端应力强度因子对比和欧洲结构完整性分级评定方法SINTAP 对含缺陷大板梁的工作状态进行安全评定。

1 工程背景

某300MW 电厂在停炉检修的常规检测中发现2#炉第四根大板梁拼接炉左侧大板梁下翼板拼接焊缝端面存在裂纹缺陷，经复核检查，大板梁纵向拼缝在炉前端沿焊缝方向存在长13mm，深35mm 的表面裂纹缺陷，如图1 所示。

图1 裂纹缺陷形貌

大板梁尺寸H3600×1000×30×100，材料为Q345B，下翼缘裂纹缺陷在柱端内侧4m 位置，经过计算分析，裂纹处下翼缘的受拉应力为165MPa，裂纹相对大板梁横截面的位置如图2 所示。

图2 裂纹缺陷位置示意图

2 断裂韧性裂纹扩展初步评定

2.1 评定方法

应力强度因子是表征材料断裂的重要参量，是结构件在外力作用下的弹性物体裂纹尖端附近的应力场强度的指标，断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性的定量指标。通过比较应力强度因子和材料断裂韧性，可有效判别构件裂纹缺陷的稳定性。当应力强度因子小于断裂韧性，裂纹处于稳定状态，不发生扩展，结构安全；当应力强度因子大于断裂韧性，裂纹失稳扩展，而后导致断裂。

2.2 安全性评定分析

进行断裂力学分析首先需要明确三项基本要素：裂纹的形状及尺寸、几何及荷载条件、材料的断裂韧度。结合《在用含缺陷压力容器安全评定》（GB/T 19624-2004）[3]，该大板梁端部的焊缝端部表面缺陷，可简化为半椭圆表面裂纹，如图3 所示。

图3 半椭圆表面裂纹模型

其中：

a 为裂纹高度（深度），为35mm；

2c 为裂纹长度，为13mm；

2W 为大板梁翼缘厚度，为100mm；

t 为大板梁翼缘宽度，为1000mm。

椭圆表面裂纹前沿的应力强度因子K 为[3]：

选择平面断裂韧度作为裂纹扩展的安全性的判定依据，通过对比该种缺陷作用下的应力强度因子K 及断裂韧度Kmat来判定裂纹是否会扩展，若K 小于Kmat，则裂纹处于稳定状态，不会发生扩展，大板梁处于安全状态；若K 大于Kmat，则裂纹可能会发生扩展，大板梁处于不稳定状态[4]。

大板梁翼缘板拼接焊缝接头处包含Q345B 材料、焊缝金属和热影响区三个区域，断裂韧性在不同区域取值不同，且随板厚及相对位置发生变化。裂纹处于焊缝金属区域，可选择焊缝金属区域的断裂韧性值KIC作为为基本的断裂韧性值进行安全性评定。为安全性考虑，选择焊缝金属区域的1/2 厚度位置的断裂韧度Kmat（2941～4316）[5]作为安全性评定的基本断裂韧度。

表面裂纹的几何修正函数为FS，且有[3]：

2.3 安全性评定结果

对大板梁焊缝进行计算可得简化模型的最大应力强度因子：

表1 裂纹尖端应力强度因子

设计应力作用下，裂纹缺陷的最大应力强度因子小于材料的断裂韧性值，裂纹不会发生扩展；取材料的断裂韧度下限值2941 时，裂纹的抗断安全系数为1.45。在材料设计强度250MPa的作用下，裂纹的最大应力强度因子为2732，仍小于焊缝金属区域的最小断裂韧度，裂纹不会发生扩展。

3 SINTAP 的进一步安全评定

3.1 评定方法

SINTAP 是一个基于“合于使用”原则，结合脆性断裂、延性撕裂和塑形失稳等问题都进行了安全评定的方案，其主要有失效评定图（FAD）和裂纹驱动力（CDF）两种评定方法[6]。两种评定方法的根本都是运用断裂力学原理和塑性极限分析使结构在载荷不超过最大极限载荷时得到避免失效。裂纹驱动力（CDF）评定方法必须通过对结构形状、裂纹大小和形状、材料的抗拉性以及载荷进行弹塑性分析进行评估。采用CDF 方法进行评定时，对于不同缺陷得到的评定曲线是一系列的曲线，并且存在断裂韧性到最大裂纹尖端宽度或最大能量积分的转换[6]。而FAD 评定方法则相对简单直接。本文选择相对直接的FAD 进行安全性评定。

失效评定图的关键是失效评定曲线。曲线由纵坐标Kr=K/Kmat，横坐标Lr=F/FY 及f(Kr)曲线组成一个密封区间，如图4 所示。

图4 失效评定图

其中K 是裂纹尖端应力强度因子，Kmat为材料断裂韧性，F为结构荷载，FY 为塑性极限荷载。

失效评定曲线与裂纹的大小、尺寸和位置及构件的几何尺寸无关，仅与材料本身特性相关，不同的评定等级的失效评定图函数是不一样的。评定程序可以根据数据的质量和保守程度分为七个等级，等级越高对原始数据质量的要求也越高，根据目前已有的数据，本文选择0B 级、1B 级评定方法进行含缺陷大板梁安全性评定。

3.2 安全性评定

根据大板梁的裂纹尺寸和荷载大小进行Kr 和Lr 的计算，当结果处于安全区，则大板梁安全，若结果不在安全区范围内，则大板梁有失稳断裂的危险。

3.3 评定结果

运用MATLAB 软件，根据评定公式和相应的参数进行评定分析，可得到评定点（Lr,Kr）与失效评定曲线的相对位置，评定结果显示含缺陷大板梁处于安全区范围内，如图5 所示，不需要对大板梁进行加固处理即可满足大板梁继续服役需求。

图5 安全评定结果图

4 结论

4.1 大板梁裂纹缺陷通过断裂韧性裂纹扩展安全评定，应力强度因子小于材料自身断裂韧性，大板梁处于安全状态。

4.2 采用SINTAP 的进一步安全评定，缺陷安全评定结果处于0B 级评定和1B 级评定的安全区范围内，裂纹不发生失稳扩展。

4.3 鉴于大板梁在整个锅炉结构中的重要性，建议对大板梁的裂纹缺陷实时监测。