唐 毅 王 琪 孙海涛 李平仁 乔 维 桂 春

1（中核武汉核电运行技术股份有限公司 武汉 430223）2（中广核核电运营有限公司 深圳 518001）3（核与辐射安全中心 北京 100020）4（大亚湾核电运营管理有限责任公司 深圳 518001）

含矩形缺陷圆柱形管的剩余强度评定方法

唐 毅1王 琪2孙海涛3李平仁4乔 维1桂 春1

1（中核武汉核电运行技术股份有限公司 武汉 430223）2（中广核核电运营有限公司 深圳 518001）3（核与辐射安全中心 北京 100020）4（大亚湾核电运营管理有限责任公司 深圳 518001）

磨损是蒸汽发生器传热管一种常见的缺陷类型，磨损缺陷是影响传热管安全性的重要因素之一，需要根据管材的具体结构尺寸，制定适用的结构完整性评价方法。为了确定含矩形缺陷蒸汽发生器传热管的剩余强度，本文针对含矩形缺陷的传热管试样进行了内压爆破试验，并依据试验结果检验和评价了NB20013、BS7910、API579和Janelle规定的含局部减薄缺陷承压构件中剩余强度系数RSF计算式的精度。分析表明：当缺陷深度比a/t≥70%时，按以上方法评价含缺陷管的安全性时都可能偏于不保守。最后，基于BS7910建立了适用于单个矩形缺陷改进型RSF计算式，其计算值既具有很高的计算精度，又具有满意的可靠性。

剩余强度，缺陷，圆柱形管，管道，评定方法

承压设备和管道在使用过程中，随着运行时间的延长不可避免地会出现设备老化和降质，其中局部减薄缺陷是一种常见的体积型缺陷，为了确保含缺陷承压设备的安全运行以及考虑到维修更换的成本，需要对含局部减薄缺陷部件安全性进行评价。自20世纪60年代工业发达国家对含局部减薄缺陷承压构件的合理使用(Fitness-For-Service，FFS)评价方法进行研究，形成了许多FFS评价程序，如ASME B31G、API 579、BS 7910等。近年来，Janelle等[1]对上述几种标准的评定方法进行研究分析，对纵向缺陷评定方法采用失效压力比给出了评价，并且提出了一种新的评定方法(以下简称Janelle方法)。从评价结果看出：BS 7910、API 579和Janelle方法的评定精度和可靠性较高，值得关注和研究。

在对Ф16×1.5不锈钢蒸汽发生器传热管进行了一系列的内压爆破试验的基础上，结合文献[2]中Inconel690试验管爆破试验结果，本文分别采用BS 7910、API 579和Janelle方法中1级评定的剩余强度系数RSF计算式，计算纵向含矩形面积缺陷承压管的RSF值，检验三种RSF计算式的精度，对三种评定方法给出了评价。同时，以BS 7910单个矩形凹坑的剩余强度系数计算式RSF为基础，对其鼓胀系数作了重要修正，建立了改进的RSFLT计算式。

1 含局部减薄缺陷承压构件的剩余强度系数

1.1剩余强度系数RSF

含局部减薄缺陷承压构件的失效为塑性失效，其失效压力Pf可以是构件屈服极限载荷Pl、爆破压力(Pb)，或两者之间的载荷。含局部减薄缺陷承压构件的失效压力Pf采用式(1)计算：

式中，Pf0是无缺陷承压构件的失效压力，RSF是剩余强度系数。

剩余强度系数RSF反映了局部减薄缺陷对构件强度削弱的程度，在承压构件的几何尺寸、材料性能和失效载荷定义都相同的条件下，RSF只与局部减薄缺陷的形状尺寸有关，而与构件失效压力的定义无关。RSF的计算式一般都用试验值进行拟合而得到，含局部减薄缺陷圆柱壳构件在爆破失效下的剩余强度系数RSFb可表示为：

在不同的FFS评定规范中规定了不同失效压力定义下的剩余强度系数RSF，为了检验各种RSF计算式的精确度，本文结合试验确定的剩余强度RSFT对各种规范RSFi计算精度进行了综合分析。

1.2三种评定方法RSF计算式

缺陷试样的外径为Do，壁厚为t，中半径R，缺陷轴向长度l=2x、深α，详见图1。其中，缺陷深度壁厚比α=a/t，缺陷等效半长γ=x/(Rt)0.5。

图1 矩形缺陷试样结构尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of rectangular defect specimen structure.

表1 几种典型的剩余强度系数RSF表达式Table 1 Several representative formula of remaining strength factor.

1.3液压爆破试验及RSF计算误差分析

1.3.1 液压爆破试验

液压爆破试验是一种常用于管道爆破压力的测试的试验方法，主要原理是通过内压作用使得试验管发生爆破并记录其报告压力。这次试验完成了34个Ф16×1.5不锈钢管含矩形缺陷试样的爆破压力测试，这些试样缺陷参数范围分布在：0.2≤α≤0.8，0.3≤γ<5，试验测得的剩余强度系数RSF绘入图2所示。另外，将文献[2]测得的10个Ф19.05×1.09 Inconel690试样的剩余强度系数也一起纳入分析，详见图2。

1.3.2 RSF计算误差分析

为了比较试验测得的剩余强度系数RSF与几种规范计算剩余强度系数RSF的误差，本文采用相对误差(ER)来表示BS7910、API579及NB/T20013、Janelle方法等规定的剩余强度计算结果与试验结果偏差，计算结果详见图3(a)所示。其中：

式中，RSFi表示不同规范的RSF计算式。

图2 试验管的剩余强度系数Fig.2 Remaining strength factor of tube specimens. Note: Specimen type 1 is the RSF of Ф16×1.5 stainless steel tube, Pf0=121.0 MPa, Note 2: Specimen type 2 is the RSF of Ф19.05×1.09 Inconel690 tube, Pf0=67.0–68.0 MPa.

图3 缺陷深度壁厚比α对剩余强度系数RSF的影响关系(a)；缺陷当量γ长度对剩余强度系数的影响关系(b)Fig.3 Effect of defect depth ratio on. RSF (a); effect of defect equivalent length on RSF (b).

从图3(a) 和3(b)可以看出：

(1) 当α≤55%时，BS 7910剩余强度系数计算式RSFB的精度优于API 579，NB/T20013，Janelle方法的相应RSF计算式；而当α>55%时，BS 7910计算式RSFB的可靠性低于API 579的计算式RSFA；

(2) 当γ<1、α>55%时，用BS 7910、API 579和Janelle方法相应计算式RSFi计算得出的RSF都可能不安全。

因此，需要根据试验结果改进RSF计算式，提高计算精度。

2 含局部减薄缺陷圆柱壳RSF评定方法的改进

2.1改进的1级评定方法

由上述分析可知，当α≤55%时，BS 7910剩余强度系数计算式RSFB的精度高。因此，对于α≤55%可直接沿用BS 7910规定的RSFB计算式。为了使RSFB在α<80%都具有相近的计算精度和可靠性，就必须对RSFB进行改造，即在缺陷鼓胀系数MB中考虑α的影响，即鼓胀系数是参量γ和α的函数。

(1) 除α>55%，且γ<1以外，对式(3)的鼓胀系数MB引入参量α，并取式(7)作为鼓胀系数Mt的基本拟合函数：

式中，c、n—待定系数。

应用最小二乘法计算出c和n，得到γ>1时Mt的拟合计算式：

(2) 当α≥55%，且γ≤1时，式(3)的计算值RSFB>RSFT。由于RSFB与MB成反比，因此MB值偏小是造成RSFB值偏大的原因。为使RSF计算值与RSFB符合，经反复分析计算，当γ≤1时拟用γ0.5替代γ2，并取式(9)作为鼓胀系数Mt基本拟合函数：

采用最小二乘法计算出c0和c1，则修正后的剩余强度系数RSF为：

(3) 综合(1)和(2)，对任何α≤80%，γ>0，取鼓胀系数MLT：

则含缺陷试验管的1级评定的剩余强度系数RSF为：

2.2 RSF改进计算式的可靠性验证

改进的RSFLT、BS7910的RSFB、API579的RSFA和Janelle的RSFJ的计算值和RSFLT的相对误差如图4所示。

图4 修正后的RSF与其它三种RSF计算误差比较Fig.4 Comparison of RSF calculation error betweenRSFB/RSFA/RSFJand modified RSFLT.

由图4可知，改进计算式(9)的RSF计算值分散度及相对误差小，既具有很高的计算精度，又具有满意的可靠性。

3 结论

综上所述，试验及分析结果表明：

(1) 当α≤55%时，BS 7910中的剩余强度系数RSF计算式的精度高于API 579、NB/T20013、Janelle方法的相应计算式的精度；而当α>55%时，BS 7910中的剩余强度系数RSF计算值的可靠性一般低于API 579的RSF计算值；

(2) 当γ≤1、α≥55%时，用BS 7910、API 579、NB/T20013和Janelle方法中推荐的一级RSF计算式计算爆破压力剩余强度系数RSF比试验确定的RSFT大；

(3) 利用试验数据，修正后得到的剩余强度系数RSFLT，其计算结果误差小。因此，修正后剩余强度系数RSFLT计算式的精度明显优于其它的RSF计算式的计算精度。

1 Janelle J L, Osage D A, Burkhart S J. An overview and validation of the fitness-for-service assessment procedures forlocal thin areas[M]. Welding Research Council Bulletin 505, September 2005

2 李思源, 唐毅, 聂勇, 等. 蒸发器含缺陷传热管爆破压力的计算[J]. 压力容器, 2007, 24(12): 1–7 LI Siyuan, TANG Yi, NIE Yong, et al. Burst pressure calculation of steam generator tube containing defects[J]. Pressure Vessel, 2007, 24(12): 1–7

3 BS 7910—1999, Guide on method for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S]

4 API 579－1/ASME FFS－1, Fitness－for－service 2007

5 含缺陷核承压设备完整性评定[S]. NB/T20013-2010 Structure integrity assessment standard of nuclear component containing defects[S]. China standard: NB/ T20013-2010

Remaining strength assessment methodology of cylindrical tubing containing local wall thinning defect

TANG Yi1WANG Qi2SUN Haitao3LI Pingren4QIAO Wei1GUI Chun1
1(China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd, Wuhan 430223, China) 2(China Nuclear Power Operations Co., Ltd, Shenzhen 518001, China) 3(Nuclear and radiation Safety Center, Beijing 100020, China) 4(Dayabay Nuclear Operation Management Co.,Ltd, Shenzhen 518001, China)

Background：The wear type defect is very common volumetric flaw in steam generator tube, which is most important aspect to affect strength of steam generator tube. Thus, a specific assessment method shall be formulated aiming to this thin-wall tube. Purpose: The aim is to establish a formula of remaining strength factor based on burst pressure experiment results of steam generator tube specimens, which is applicable to safety assessment of cylinderical tubing containing local wall thinning defect. Methods: Therefore, the burst pressure test was performed in order to calculate the remaining strength of steam generator tube containing local thinning wall. Concerning assessment methodology of local wall thinning of cylindrical tubing, several assessment methodologies of the structural integrity were recommended within the codes, such as China code of NB20013, BS7910, API579 and Janelle’s dissertation. In the recent year, the burst pressure experiment was carried out on cylindrical tubing with local wall thinning defect, and the methods mentioned above were used to calculate the burst pressure and compared with the experiment result. Results: However, the calculated burst pressure result does not always match well the experiments. In the case that defect depth by wall thickness is over than or equal 70%, the calculated burst pressure is far more than the experiment’s, thus this case is not conservative as far as safety concerned. Conclusions: Finally the modified RSF formula is developed on the basis of the experiment’s burst pressure, and which is most accurately applicable to the result of burst pressure experiment.

Remaining strength, Defects, Tube, Pipe, Assessment methodology

TB125

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040635

唐毅，男，1973年出生，2002年于武汉大学获硕士学位，研究领域：核设备可靠性与寿命评估及结构完整性评价

2012-11-30，

2013-01-15

CLC TB125