服务项目 / SERVICE ITEM
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含缺陷结构评估R5规范简介项目概述:国外含缺陷高温结构完整性评估规范——R5简介90年代以来,随着工业中在用设备服役时间的增长和工艺过程参数不断提高,由于材料老化和原始缺陷等因素都是原有高温结构设计规范所没有考虑的,这些设计规范已经远远不能满足工业工程的需要,一些工业发达国家帆帆开展含缺陷结构完整性评定技术研究,并颁布了相应的规范和规程,用以提高生产安全性和延长设备使用寿命。出于热电工业发展的要求,欧洲国家的高温结构完整性评定技术远远走在了世界前列,至今已经颁布了几部在世界上颇有影响的规范和指导性文件,主要有英国的R5规范、法国的RCC-MR的附录A16以及BS7910等等。 R5规范介绍R5规程,全称为“高温结构相应的评定规程”,是有英国前电力公司颁布的用于高温结构设计和缺陷完整性评定的指导性文件,与美国ASME N-47和法国的RCC-MR一起并称为世界上高温结构强度领域影响最大的规范。仅从内容来讲,R5规程比另外两个规范更完备,它不仅包括设计方法,而且扩展到缺陷和焊接构件的评定。正如在R5前言所述,该规程是基于结构的力学和材料科学的专家系统,目的是“补充和取代ASME N-47和法国RCC-MR的某些规定”。 整个R5规程分为7卷,每一卷都含有相应的正文和附录。这7卷的题目分别为:①概览;②无缺陷结构的分析和评价方法;③蠕变-疲劳裂纹的起烈;④稳定载荷下的缺陷评定规范;⑤蠕变-疲劳裂纹的扩展;⑥异种金属焊接的评定规范;⑦同种金属焊接的特性CrMoV管道系统及构件在稳态蠕变载荷下的评定指南。需要指出,R5规程并不包括其所需的材料性能参数,而是写在另外一些材料手册如R66等资料中。 第一卷《概览》中主要包括:引言,适用范围、局限和所需材料性能,失效模式,R5规范的应用,受载状况和安全裕度,参考应力法的应用和简化方法,蠕变及蠕变-疲劳交互作用的处理,与其他规范的关系以及质量保证等11个部分。 与其他两部规范(ASME N-47和RCC-MR)相比,R5实质上是一部评定规程而不是设计规范,因而没有包含设计规范中常常具有的安全裕度或安全系数。从编写体系上来说,R5规范与低于蠕变范围的R6缺陷评定规程是一致的,通过采用参考应力和安定分析的概念,R5规程并不排除严峻受载情况下的非弹性分析,与ASME N-47相比具有更少的限制。 R5规程中主要考虑了以下失效模式:单一载荷下的过度塑性变形;加载次序导致的增量垮塌;过度蠕变变形或蠕变破坏;蠕变和蠕变-疲劳机制下完好金属的裂纹萌生;蠕变和蠕变-疲劳机制下的裂纹扩展;蠕变及蠕变-疲劳机制下的异种焊接金属时效。这里没有给出快速断裂的评定,因为R6规范已经给出短时断裂失效评定方法,而且腐蚀及与其他机制的交互作用也没有包含在现有内容中。尽管R5规程考虑了残余应力的影响,但并没有包括地震等因素引起的动载荷交互作用以及结构发生蠕变屈曲时效。 R5规程所有7卷内容涉及了不同范围高温结构的行为特性,但是都基本上遵循了以下步骤:①确定结构的温度和载荷历史,定义已有服役时间以及还需服役时间;②采用第2卷的规定估计蠕变是否重要并估计应力历史;③如果结构含有异种金属焊接的评定,则采用第6卷评定其完整性;④确定是否要考虑原有的缺陷;⑤如果可以不考虑原有缺陷,则采用第2和第3卷评定结构的完整性,如果评定结果表明裂纹萌生,则需要用第4,5和第7卷进行裂纹扩展评定;⑥已有裂纹存在时裂纹的起裂寿命不需要考虑,则第3卷可以从评定过程中略去。 蠕变和蠕变-疲劳损伤的处理对于蠕变和蠕变-疲劳损伤的处理,R5规程考虑了一下三种与时间相关的损伤: (1) 一次载荷或者循环弹性载荷导致的蠕变破坏。对于无缺陷结构在稳态载荷和缓慢变化一次载荷作用下的蠕变响应,采用参考应力技术和寿命分数定律计算蠕变消耗因子U:
(2) 与时间无关但对整体损伤累积有贡献的疲劳。一次和二次循环载荷对结构低周疲劳耐性的影响用Miner定律评价,疲劳损伤表示与公式(2-43)相同。 (3) 以循环应力松弛表征的由于蠕变-疲劳交互作用引起的峰值应力区的局部失效。对机械和热载荷联合作用下对蠕变损伤的影响(包括热冲击和热循环),主要采用“韧性耗尽”定律来描述。每一循环中的蠕变损伤可以表示为:
这里为 R5规范的主要特色之一就是整个评定技术的基础是参考应力简化方法,这里参考应力被定义为:
式中, R5流程介绍与简化评定过程中计及了三个损伤过程:一次应力作用下的的蠕变损伤由蠕变寿命分数A来表征;与时间无关的疲劳损伤用疲劳寿命分数B来表征;二次应力松弛所造成的蠕变损伤由寿命分数C来表征。当各单独的寿命分数达到1时即认为构建失效:A+B+C=1。 具体评定过程如图1所示: 图1 R5计算流程 以上流程图包含了R5规程的整个过程,对于汽轮机高温设计,可以采用简化的方式,如图2所示: 图2流程图的简化 简化流程图分为两部分,第一部分进行应力应变与温度场的分析,第二部分进行相应损伤分析,只考虑裂纹萌生之前的无损过程。应用简化流程图可以简洁直观的将R5规程应用于汽轮机高温部件设计。
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