钢铁材料的强度可靠性分析在压力容器检验中的应用

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在压力容器检验中，人们常常会发现发生于母材的各种腐蚀缺陷，如点腐蚀、均匀腐蚀，出现筒体壁厚减薄现象，材料的强度具有离散性，即使同-种材料，在相同的热处理规范和试验条件下，其强度值也呈现不同程度的波动；零部件所受的应力也因其尺寸、形状的误差以及表面加工粗糙度的不同而呈现不同程度的波动；此外，所受的载荷，即使是静载荷也不是完全确定性的。所以，只有将这些设计参数看作服从某种分布的随机变量，建立统计数学模型，运用概率统计方法进行计算，才能全面地描述校核对象，所得结果才更符合实际情况。我们把这种运用概率统计方法进行的分析称为可靠性分析或失效分析。把这-分析方法引入到在用压力容器的强度校核中，对保证压力容器安全运行很有必要，将能显著地节约设备成本，为企业带来巨大的技术经济效益。

1理论分析本文应用可靠性设计方法中的应力-强度干涉理论，假设强度和应力都是随机变量，且服从正态分布。现设定：用 应力，用r表示强度。则强度和应力的概率密度函数分别为 ：删-去书 。

壶 -《- 《f《 ，《- 《s《 )式中 r、 S和a r、口s分别为强度和应力的均值和标准离差。

令yr-S，则y也是正态分布，其均值和标准离差分别为：f； 社s。oI t s于是，所校核压力容器的可靠度R为R-p(y>O) 去寸i1 cj为了便于计算，将上式化为标准正态分布形式，取标准正态变量t为f -y--pyy， 。

则 去 癣令上式中的积分限 -p称为可靠性系数，即 云等当 r、o r、 S、oS确定后，即可计算出可靠性系数p，而p与R的--对应关系可查有关资料中的正态函数表，即由D可查出该容器可继续使用的可靠度R(或允许破坏概率F)。

2随机参数的估计与分析2.1应力参数筒体以周向应力为计算基础，以材料的屈服强度为工作极限，74 2013年6月下第12期总第168由压力容器的应力计算公式，其应力 - ：式中，P--设计压力，IvlPaR --圆筒平均半径，mm6 e- 有效厚度，mmo t 在设计温度下的计算应力，IVla应用基本函数法，应力的均值和标准差分别为PsIS式中，设计压力P- 取设计温度下容器顶部最高压力为u P，取压力偏差的1/3为 a P；有效壁厚 6 e- 将筒体腐蚀表面清理干净并打磨出金属光泽后测量出-组(20-50点)数据，则可计算出其均值6 e和标准差 o 6 e；圆筒平均半径R2--实测出-组(20-50处)外圆周长，换算为外径数据，则可计算出外径均值和标准差。然后按照平均半径(外径-壁厚)/2，计算出平均半径的均值 R2和标准差o R2。

2.2强度参数根据所使用材料，选取强度极限值较低的屈服强度极限来控制容器筒体的弹性或塑性失效，更为可靠。

弘l：艿st屈服极限的变异系数-般选为0.07，即屈服极限的标准差：r卸 .073工程实例某在用钢制压力容器壳体材料：l6 ，设计压力P8士0. a，温度：常温，壳体内径：巾100(knm，原名义壁厚：28mm，焊缝系数：1.0。

经检查壳体内壁发生均匀腐蚀，取下-检验周期的腐蚀裕量为2mm。

现对该容器是否可以在下-周期继续使用进行可靠性分析。

3.1壁厚测量数据如表1(单位：mm)计算结果为：表 124.9 24.9 25.2 25.0 25.325.6 25.1 24.9 24.2 24.625.8 25.2 25.9 25.2 25.024.9 24.8 24.5 25.1 25.525.5 25.1 25.1 25.0 25.324.7 24.5 25.5 25.0 24.7表23313 3321 3322 33l7 33213320 3318 3319 3324 33l53312 3317 3313 33l7 33203316 33l3 3317 3324 3315China Science& Technology Overview- 25。07ram ， S-O 39l瑚阻考虑到下-检验周期的腐蚀裕量，则选取 6 e25.07-223。

07ram .d 6 e0.39ram3.2筒体外圆周长测量数据如表2(单位衄 )将其换算为-组筒体外径数据后，计算结果为：X -1056。05ram 。SI。16nma按照公式：平均半径(外径-壁厚)/2，进-步计算出：U R2516.49ram ，o R20.61ram3.3设计压力取 u P8MPa，O-pO.5/30.167MPa3.4强度极 限选取材料屈服极限作为强度工作极限，则： r325MPa，13"rO.07×32522.75MPa3.5计算 s、仃S. 。

-8x51-6.49179.1/d - - U蹦峨 壮 23 07 慝516.49 )a0.-1672 .L 20.6 12( 516.49x8"/2 x03923.6计算13兰 兰 竺 6，27f 2 2 ，--- ---o's 422。 5 4 8l3.7查正态函数袁由D6.27查出可靠度R0.999999999，即允许破坏概率F为10-9以下。

3.8结论意见若按常规设计方法进行强度校核，计算厚度应为：- !： 25，ll栅 D --------------------- Z I珊 n2 r妒-P 2×163 3×l。0～8式中[o诹值为16MnR常温下的抗拉强度许用应力 ]. l63.3 ，该容器筒体壁厚由 均匀腐蚀现已减薄到25.07ram，小于计算厚度，若根据常规设计结果，应当立即 上接第73页须配戴安全帽、系安全绳，必要时应搭设掩体；(2)取土渣的吊桶、吊钩、钢丝绳、卷扬机等机具，必须经常检查；(3)井口设置混凝土护围(或砖砌护围)，并高出地面30cm，防止土石、杂物滚人孔内伤人；(4)经常检查护壁的稳定情况，发现异常情况，及时处理，防止坍孔；(5) 上接第72页下导线的弧垂。因此，通过实时监测导线温度来实现弧垂的在线监测，也是可行的。

3结语在架空输电线路设计与运行中，弧垂是-个重要指标。然而，弧垂大小与运行负荷和周围气象环境密切相关，任-个因素的变化都可能会造成线路弧垂的变化，过大的弧垂不但会造成事故隐患，也会减小输电线路的热容量，限制了线路的输送能力，对线路运行的经济性和安全性都有至关重要的影响。

目前，国内外专家学者已就弧垂问题进行了多年的研究，将不易直接测量的架空线路弧垂转换到导线张力、倾角、温度等便于直接测量的参量，实现了弧垂的在线监测。本文介绍了弧垂在线监测的基本原理，希望能借此研究开发或者改进得到更加适用于架空输高端装备制造停止使用。而现在按可靠性分析方法进行校核，可知其可继续使用- 个周期的可靠度高于99.9999999%。

另-方面，若按允许破坏概率F为l05考虑，即D4.265，还可以采用可靠性设计方法进-步计算出筒体计算壁厚，计算过程如下 ：。 ：yp2 4- t/p /t22 4-雁 蕊 Il1.UP%代人 厢]1-]1s，则325 8。 .. .。

5 1. ..6. .，.4.. -94265 ∥詹丽 计算得出 6 e18.4mm。

筒体计算壁厚仅需18.4ram，加上下-周期的腐蚀裕量则筒体壁厚应为20.40ram。而该容器现在简体壁厚为25.07mm，因此有充分依据判断出：该容器在下-周期继续使用的可靠度是较高的。

4结语(1)可靠性设计比常规设计具有众所周知的优点，而可靠性分析法也能很好地应用于在用压力容器的强度校核分析∩靠性分析法不仅能在预设的允许破坏概率下设计出容器筒体的壁厚，而且能在在用耗损的状态下计算出其继续使用的可靠度。这将为企业有关负责人做重要决策时提供量化的科学依据。(2)对在用压力容器进行强度校核前，必须按照TSGR7001-2004(压力容器定期检验规则》对设备内外进行详细检查，在不违背国家有关法规规定的情况下，才能应用可靠性分析进行强度校核分析。(3)本文试以在用受内压钢制压力容器筒体壁厚均匀腐蚀减薄，对其进行强度校核为例，说明可靠性分析方法的应用∩靠性分析方法应用范围远不仅于此，它不仅可用于各种压力容器的静强度计算，也可以用于疲劳分析和断裂力学计算等方面。