含缺陷压力容器剩余强度评估及服役寿命预测

引言：

压力容器属于工业生产的重点设备，在储存以及传输各种各样的介质方面肩负着重大的责任，但是因为制造工艺，材质特性以及所处环境等诸多因素的作用，压力容器里可能会出现诸如裂纹、腐蚀、气孔等瑕疵，这些瑕疵会影响到压力容器的承载能力，而且随着时间和设备的运行，瑕疵也许会继续发展蔓延，进而引发泄漏甚至爆炸这样严重的事件发生，造成人员伤亡并带来难以估量的经济损失。因此，针对带有瑕疵的压力容器展开剩余强度评估以及服役时间预测方面的研究工作显得极其紧迫。

一、含缺陷压力容器剩余强度评估方法

（一）基于断裂力学的评估方法

断裂力学是一门研究含裂纹材料的断裂行为的学科，在含缺陷压力容器剩余强度评价中应用十分广泛。对含有裂纹缺陷的压力容器，可以通过计算裂纹尖端应力强度因子K，与材料的断裂韧性KIC进行对比，以此确定压力容器的剩余强度。当K<KIC时，压力容器为安全状态；反之则可能发生断裂失效。根据不同类型的裂纹（张开型、滑开型、撕开型）、不同受力状态（单向拉伸），可以采用不同的公式来计算应力强度因子。如无限大平板中心穿透裂纹在单向拉伸载荷下应力强度因子，其中为名义应力，a为裂纹半长。

（二）塑性极限分析方法

塑性极限分析方法主要用于评定有腐蚀坑、局部减薄等体积性缺陷的压力容器的剩余强度，假定材料为理想弹塑性，当压力容器承受的载荷增大到某极限值时，在容器的局部范围产生塑性流动，并形成塑性铰，使压力容器丧失工作能力。用求塑性极限载荷与容器所承受的工作载荷相比较的方法来确定压力容器的剩余强度。常用的求塑性极限载荷的方法有极限平衡法、滑移线场理论、有限元法等。以极限平衡法为例，对受内压作用的薄壁圆筒形容器，如果有局部减薄，则根据力的平衡条件，建立方程求出塑性极限压力。

（三）基于应力评定的方法

基于标准的应力评定体系，工程应用的重要评估手段。GB/T19624-2017为例，按应力性质和后果分为三类，应力许用准则。例如某化工厂高压反应釜评价中，用ANSYS软件分析，发现接管区局部薄膜应力超标，应力线性化，分解应力分量，按标准附录C流程结合参数校核，降压20%运行时，一次局部薄膜应力与二次应力总和满足材料许用应力强度要求，设备仍能安全服役。

利用风险导向型检验（RBI），将应力评定与失效概率建立关联，改善维修选择，创建以贝叶斯网络为主体的RBI模型，把缺陷尺寸等资讯当作输入变量，算出设备各种不同检查时段的失效可能极其危险级别。比如某个天然气处理厂采用这个技术之后，改进了高危险级别的设备检查次数，削减了低危险级别的设备维修费用，做到了资源精确配备。

二、含缺陷压力容器服役寿命预测模型

（一）疲劳寿命预测模型

交变载荷作用下，压力容器内部存在的缺陷容易引起疲劳裂纹扩展，造成容器失效现象，而常用来做疲劳寿命预估的模型包含Paris公式、Forman公式等，Paris公式表示了疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK的联系，其数学表达为da/dN=C（ΔK）m，其中C、m属于材料常数，巴黎公式通过积分获得，从而计算出疲劳裂纹由初起裂纹a0扩大到临界裂纹ac所需的循环次数N，以此来预测压力容器的疲劳寿命情况。然而在考虑诸如裂纹闭合的影响因素之后，Forman公式对Paris公式加以改正，因此对于某种场合而言，这种修正后的Forman公式或许更精确地估计到预测寿命。

（二）腐蚀寿命预测模型

腐蚀寿命预测须顾及材料，环境和流动状况，在海洋平台压力容器的评价里，用电化学阻抗谱技术（EIS）来得到各个地方的腐蚀速率，而且创建了考虑湍流腐蚀的三维数值模型，通过CFD-EIS耦合的方法，来模拟流体速度分布对于传质作用带来的影响，研究表明，在流速达到2m/s时，流体冲刷造成的局部腐蚀速率相比静止环境可能会多3倍-5倍，微生物腐蚀（MIC），这种失效形式具有隐秘性，得借助宏电池电流测定与微生物群落剖析。例如某海上油田按照定期搜集的腐蚀产物样品，凭借16SrRNA基因测序的方式，识别出硫酸盐还原菌（SRB）为主，再联系起电化学测量的结果，去创建MIC速率的预估模型，从而给防腐方法制订供给依据。

随着机器学习技术的应用，利用SVM的腐蚀速率预测模型，可以结合温度、pH值、流速、溶解氧浓度等多种变量的数据，如某炼油厂把10年的运行数据当作训练样本来创建SVM模型之后，对于新安装好的重整反应器而言，其腐蚀速率预测准确度能上升到92%，这比传统的经验公式有着更厉害的泛化性能。而且，例如LSTM深度学习算法被应用到腐蚀速率预测里，这种算法擅长处理时间序列数据中那些复杂的非线性关系，在动态环境中提高腐蚀寿命预测的准确性。

（三）综合寿命预测模型

对综合寿命预测模型的构建，要冲破单一因素分析的束缚。以某炼化企业加氢反应器同时遭遇高温氢腐蚀及循环载荷为例，创建腐蚀－疲劳耦合模型，把腐蚀引发的壁厚削减当作疲劳裂纹拓展的起始情况，融合断裂力学和损伤力学理论，模仿裂纹在复合载荷条件下的拓展轨迹，模型采取有限元-损伤力学联立求解方案，在ABAQUS中创建结构力学模型，而且运用用户自定义子程序（UMAT）完成损伤变量的更新运算，借助现场实测数据予以检验，得出的结果同实际运行数据的误差被控制在10％以内，从而证实此模型具有工程适用性。

在以风险矩阵为基础的寿命预测方法中，把剩余强度和寿命预测结果转化为风险等级，从而为设备的全生命周期管理提供了科学化的决策支持。根据失效概率（P）可分为5个级别：极小、小、中、大、很大来定义失效的概率等级；失效后果（C）按照安全、环境、经济3个方面分别赋予权重，建立二维风险矩阵。某天然气管道公司利用该方法后，将风险等级最高（前10位）的管段列为优先监控对象，并实施在线超声导波检测，进而减少了管道泄漏事故发生的概率，使风险管理由被动应对变为主动防控。

三、结论

含缺陷压力容器剩余强度评估以及服役寿命预测乃是确保压力容器安全运行的重要一环。依靠借助断裂力学、塑性极限分析、应力评定等剩余强度评估方法，还有疲劳寿命、腐蚀寿命、综合寿命预测模型，能够比较准确地评价含缺陷压力容器的安全水平与服役寿命。在现实工程运用中，要依照压力容器的实际情况，选取恰当的评估和预测方法，给设备的保护、修理和更换给予科学的理论支撑，从而减小事故风险，守护工业生产正常开展。以后，随着材料科学、计算技术等的持续改进，含缺陷压力容器剩余强度评估以及服役寿命预测技术将会不断改善更新，给工业安全给予更为充分的支持。

参考文献：

[1]石祥.基于超声相控阵检测的含缺陷压力管道有限元分析与安全评定[D].福建工程学院，2023.

[2]胡华胜，邓聪，赵仲勋，等. 超期服役下含超标缺陷压力容器的合于使用评价研究[J].机电工程技术，2022，51（08）：44-47.

[3]张卓凡.含缺陷压力管道安全评定系统开发及有限元验证[D].暨南大学，2022.