韧性断裂细观力学在压力容器安全技术中的应用

成果名称

韧性断裂细观力学在压力容器安全技术中的应用

申报单位

名    称

合肥通用机械研究所压力容器检验站

通讯地址

合肥长江西路888号

邮政编码

230031

联 系 人

杨铁成

电话（区号）

0551-5312800-2679

电子信箱

gmripv@mail.hf.ah.cn

传真（区号）

0551-5313745

成果完成单位

1.合肥通用机械研究所压力容器检验站

2.浙江大学

3.全国压力容器标准化技术委员会

成果类型

新技术√       新工艺       新方法       新设计

新产品       新材料       新品种       其  他

成果水平

国际领先     国际先进√     国内领先     国内先进

成果来源

国家计划     省部计划√     其  他

成果评价方式

鉴  定√       验  收       专  利       其  他

成

果

简

介

（主要包括：立项背景、成果特点、创新性，成果水平，应用效果及推广前景等，2000字）

压力容器是具有泄漏和爆炸危险的承压设备，广泛地应用于工农业生产和城乡居民生活各个领域。一旦发生爆炸或泄漏往往并发火灾、中毒等灾难性事故，造成严重的环境污染，给社会经济、生产和人民生活带来损失和危害，直接影响社会安定。

由于冶金、制造和使用中的各种原因，压力容器一般都带有各种缺陷，压力容器发生的泄漏和爆炸事故绝大部分都是由这些缺陷处引发。世界各国有关的压力容器技术规范都把它们分为平面缺陷和非平面缺陷两大类，在容器的制造阶段执行以质量控制为基础的验收准则，对在用压力容器中的缺陷则根据合于使用的原则进行评定，以决定予以接受、返修或报废。

各国压力容器缺陷评定标准中对平面缺陷（裂纹）的评定方法都是在现代断裂力学的基础上建立起来的。由于对非平面复合型缺陷（裂纹）破坏还缺乏系统的试验研究和理论分析，评定标准中对非平面缺陷的规定与质量控制标准类似，带有一定程度的主观性。

成

果

简

介

本课题采用韧性细观断裂力学的方法，从材料的韧性断裂机理方面着手，在含缺陷压力容器断裂研究中引入韧性断裂细观力学的分析方法和研究成果，课题主要研究内容有：

（1）关于几种容器钢韧性断裂机理的研究

16MnR、BHW35、20g等容器钢韧性断裂包括空穴形核、扩张和汇合的过程。Mn、S粒子常成为第一代空穴的形核源，是这些容器钢中形核空穴的主要夹杂之一。引起材料韧性断裂的细观机理有两种：空穴损伤型和剪切滑移型。在较高的应力三轴度下，这些材料都以空穴型损伤积累至临界状态而发生韧窝型断裂。在较低的应力三轴度下，材料将发生剪切滑移型断裂，空穴扩张比参量不再适用。使材料断裂机理的空穴与剪切滑移型之间发生转换的临界应力三轴度是一个材料常数。

（2）关于Ⅰ-Ⅱ复合型韧性断裂特点的研究

通过对细观断裂机理的研究，提出了测试Ⅰ-Ⅱ复合型临界裂尖张开位移的多剖面法和在加载过程中测试裂尖张开位移Ⅰ型分量的印痕法；对四点弯曲、双轴拉伸、宽板拉伸、模拟容器爆破等多种Ⅰ-Ⅱ型试件的试验研究表明，Ⅰ-Ⅱ型裂纹受载后裂尖发生钝化和张开，形成延伸区，它们的断裂具有韧窝型和集中剪切型两种基本模式，前者导源于空穴的形核和扩张，后者起因于集中剪切滑移的形式和发展。

（3）关于Ⅰ-Ⅱ复合型韧性断裂准则的研究

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹有空穴型和剪切滑移型两种不同的断裂机理，其扩展方向和起裂条件应按断裂机理的不同采用不同的分析方法。

裂纹的断裂模式决定于裂尖区应力三轴度的最大值R_σmax，存在一个材料常数C_σ，当R_σmax＞C_σ时，裂纹出现韧窝型断裂，当R_σmax＜C_σ时，出现集中剪切型断裂，韧窝型断裂方向与加载早期裂尖区的R_σ峰脊线一致。在一条裂纹中有可能同时出现两种基本断裂模式，一般情况下，只有一种占主要地位，控制最后的破坏形式。

成

果

简

介

在理想塑性材料按真实应力产生塑性变形的强假设的基础上提出了瞬时滑移线的概念。根据裂尖区的变形具有几何自相似性的特点。建立了Ⅰ-Ⅱ复合型裂尖区的自相似滑移线场。

（4）关于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的安全评定方法的建议

失效评定图法有许多优点，已为工程界广泛接受，建立Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的安全评定方法应吸收失效评定图方法的特点。为此，研究中将美国电力研究院（EPRI）针对遵循Ramberg-osgood硬化规律的材料对双判据法所作的理论阐述推广到一般的硬化材料，结合Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹韧性破坏的特点，提出倾斜裂纹扩展平衡曲线方法的形式和绘制方法，并进而按英国中央电力局（CEGB）的标准提出适用于倾斜裂纹的失效评定图方法。

本课题在对常用压力容器用钢韧性断裂细观机理研究基础上，吸收和利用韧性断裂细观力学的研究成果，从材料细观结构的层次上对现有压力容器缺陷评定规范中韧性断裂准则进行深入的探讨，系统地进行倾斜裂纹韧性断裂试验和韧性断裂准则的研究，找出了倾斜裂纹尖端细观损伤断裂过程与宏观特征的关系，初步解决了含缺陷压力容器的韧性断裂和无裂纹结构的塑性破坏问题，提出的建立倾斜裂纹失效评定图的建议已被国家标准“含缺陷压力容器安全评定”所采纳，为含倾斜裂纹的压力容器安全分析提供了理论依据。研究成果达到国际先进水平。

课题的部分研究成果已在中国石油化工股份有限公司等单位压力容器缺陷评定中成功地得到应用。

由于历史原因，目前我国仍有相当数量的压力容器处在带缺陷运行状态，本项目的研究成果将在材料细观结构的层次上对现有缺陷评定规范中韧性断裂方面进行完善，使缺陷评定的技术手段更加丰富，对于提高我国在用压力容器运行的安全可靠性，延长设备使用寿命，具有重要的意义，社会经济效益十分突出。