破前漏LBB在核管道的应用

2021年2月28日发(作者：分币)

LBB

理论在核管道中的应用

邓坤军

6

（南京工业大学化工过程机械系，南京，

210009

）

摘要

:

LBB

（破 前泄漏，

Leak Before Break

）理论是于

80

年代国际上发展起

来的管道防爆最有效 的理论

,

国外已开始在核管道上应用。

2011

年

3

月发生在日

开始在核管道上应用。

2011

年

< br>3

月发生在日本灾难性的核事故，使

LBB

理论的

研究又旋起一个研究的热潮。

本文针对目前的

LBB

理论的典型判定方法进行回顾

和 综述，并提出

LBB

理论急需要解决的问题。

< br>LBB

问题的研究对于我国核能工业

的发展具有重要的意 义。

关键字：

核管道，

LBB

，断裂，泄露率，

R6

，

LBB. NRC

，

GE/EPRI

中国分类号：

T***

文献标识码：

A

The LBB Theory Applied To Nuclear Piping

Deng Kun-jun

(Department Of Chemical Process Equipment,Nanjing University Of Technology,Nanjing,210009)

Abstract

:

The

LBB

(

Leak

Before

Break

)

theory

is

the

most

effective

pipeline

explosion-proof

theory

developed

in

the

1980s

,

has

been

used

in

foreign

nuclear

pipe . The catastrophic nuclear accident happen in Japan in March 2011 , making the

LBB theory study a climax . This paper will make a review on the LBB theory , and

provide problem in the LBB theory needed to solve. The research of the LBB problem

will make great significance for the development of China 's nuclear power industry .

Keywords:

nuclear piping , LBB, fracture , the leak rate , R6 , LBB / GE,

GE /EPRI

1.

研究背景

管道在能源输送过程中起着十分重要的作用，

国内外绝大多数石 油、

大然气

都是通过管道运输的。

泄漏 是长输管道运行中的主要故障，

管道及压力容器的爆

破泄漏事故 更常常与焊接缺陷相连。管道运输系统一旦发生泄漏或破坏等事故，

不仅影响正常生产秩 序的进行、

威胁工人的生命安全而且必将给国家经济和国民

生活 带来巨大的损失。

2011

年

3

月发生在日本灾难性事故，就是血和泪的教训。

研究表明，

< p>
焊接管道作为一种典型的焊接结构，

其焊接过程常常使焊接接头的组

织性能劣化及产生缺陷。

而焊接缺陷处有较大的应力集中，

< p>
在使用过程中往往成

为裂纹的源头，而管

道一旦从焊接接头处发生断裂，极易造成突发性和灾难性

断裂。

目前我国大多数油气管道已进入事故多发期，

油气管道的检测和评价的 需

求已日趋迫切。由此看来，焊接接头是管道系统的薄弱环节，对其强度、寿命和

安全可靠性进行评定以保证管道安全可靠的使用具有重要的现实意义。

目前对焊接结构进行风险评估均是建立在“合于使用”

(Fit ness

for

Purpose)

原则基础之上，

这一原则或手段与

“完整结构”

在概念上的区别是它明确地承认

焊接结构存有构件形状、

材料性能偏差和缺陷的可能性。

但是在建立于诸如断裂

力学、 材料试验、应力分析、质量检查或无损探伤等科学方法基础之上，

“合于

使用”原则要充分地保证所制造的结构不发生已知机制如脆性破坏、疲劳失效、

应力腐蚀的失效事故。

因此该原则为压力容器和焊接管线结构的设计、

< br>制造和安

全使用提供了重要的依据和强有力的手段。

欧洲共同体提出的

SINTAP(Structural Integrity Assessment Procedure)

“结构完

整性评定方法”

’已经对此问题给予了重视，进行了一些相关研究，并在 标准中

提出了“先漏后断”

(Leak-Before-Bre ak

，简写

LBB)

的评定问题。但是 这些标准

中只是以附录的形式原则性的提出了一些条款，

并且评 定方法在很多如裂纹扩展

的研究、

裂纹张开面积和泄漏速率的计 算等方面存在很多不足之处，

因此有待于

进一步研究。

我国在“九五”期间重新编制了“在用含缺陷压力容器安全评定”等标 准。

该标准提出了对平面缺陷评定的三个级别，即简化评定，常规评定

< br>(

考虑塑性失

效

)

和平面缺陷评定的分析方法，与

CVDA

—

84

规范相比有了一定发展。但这些

评定方法都 是建立在断裂评定基础之上，

即以断裂失效作为失效模式。

而对 于压

力容器和管道等承压构件来说，

经常存在结构在断裂之前首 先发生稳定泄漏的情

况，我国的相关标准还不成熟。既日本核事故之后，我国进行大量有 关

LBB

理

论的研究，并取得了重大的 成果。

综上所述，

LBB

< p>
分析技术是

80

年代发展起来的，在焊接压力管道 设计和评

价方法上的全新概念，由于采用

LBB

分析技术可带来良好的经济效益，近年来

越来越受到各国的重视，

并逐渐得以应用。

在此背景下，

中国核电工程有限公 司

（

CNPE

）

资助了本课题

[1]

的研究，

主要针 对焊接压力管道，

核管道

“合于使用”

原则基础上，

进行先漏后断评定方法的研究，

以填补国内在该领 域的空白。

根据

我国国情，

保证大量焊 接结构的安全运行，

并使其更具合理性和科学性，

使先漏

后断的安全评定发挥其应有的的经济效益和社会效益。

2

LBB

的一些基本概念

2.1

LBB

的定义

表面裂纹是在压力容器及管道结构中常见的～种缺陷，

它的存在引起压力容

器及管道的失效主

要

有两种

形

式

—

—

爆破

(Break)

和先漏后断

(Leak

Before

< br>Break)

。爆破是指表面裂纹在载荷或载荷和腐蚀作用下沿壁厚及壁面方向引 起亚

临界扩展，

在裂纹穿透壁厚前或刚穿透壁厚时，

< p>
壁面方向裂纹长度已达到失稳扩

展临界值而发生容器或管道的快速整体破坏 。先漏后断

(LBB)

是指表面裂纹在外

加载荷和其它因素作用下逐渐发展，甚至穿透壁厚（可以是厚度方向的失稳穿

透）

，形成贯穿裂纹，造成管道内介质的泄漏。当泄漏量达到一定程度后，即可

< br>以被相应的泄漏监测系统发现。

但壁面方向裂纹长度仍有足够的安全裕度，

达到

一定长度后才会发生失稳扩展从而导致管道的彻底断。

< p>
裂。

如果从发现泄漏到管

道毁灭性破坏之间有足够 长的时间采取安全处理措施

(

如卸压、修理等

< br>)

，则避免

了由于快速整体破坏而引起的灾难性事故，认 为这种管道满足

LBB

的条件，提

出先 漏后断

(LBB)

概念

[2]

。

对于允许泄漏的流体而言，含缺陷压力容器 或管道能满足先漏后断

(LBB)

条

件下的运行状态称之为“先漏后断安全”

。压力容器及管道大多 有联接部件，泄

漏往往是不可避免的；而灾难性爆破

(

爆炸

)

事故，则是人们竭力希望避免的。在

传统的断裂评定中，只要表面裂纹——启裂或穿透壁厚即认为含裂纹结构已失

效，

这样由于评定时存在着较大的保守性，

因而被判为 失效的含裂纹结构实际上

常能继续安全运行。这种情况下应该采用先漏后断的失效模式进 行进一步的评

定，不能简单的判其为失效。若存在先漏后断的情况，即使裂纹穿透壁厚， 只要

相应的穿透裂纹长度没有达到失稳扩展的临界值，

则可以通 过先漏后断的分析和

计算，

预测其使用寿命。

< br>这将使在役含缺陷压力容器和管道等承压构件的安全评

定更具合理性和科学性，并 带来巨大的经济效益和社会效益。因此，

LBB

准则

< p>
是比传统断裂评定更为精确而又不过分保守的评定理论。

2.2 LBB

分析的适用范围

按照美国核管会的规定，

LBB

分析 适用于那些在使用过程中不大可能因其

它各种劣化或弱化机制而损伤破坏的大直径管道或 容器

.

这些损伤机制既包括

水锤、蠕 变、腐蚀、侵蚀、疲劳

,

也包括环境因素引起的间接破坏

.

因此

,

在进

行

LBB

分析之前

,

一个重要的步骤就是对即将评定的管道进行分析

,

< p>
根据理论

和实验结果以及经验、运行历史等

,

判断管道所有可能的破坏机制

,

以决定它是

否适合于

LBB

分析方法

.

如果管道在使用过程中容 易由于上述直接或间接原因

而破坏

,

那么

LBB

分析将不能适用于该管道

.

这是因为上述破坏机制超出了

LBB

判断准则的前提条件

.

例如

,

水锤会引起巨大的动力载荷

,

这在

LBB

分析

中是没有考虑的

; LBB

分析只针对于裂纹状的缺陷

,

而蠕变 、腐蚀、疲劳等会产

生其它形式的缺陷

(

如管道直径的大范围变薄

)

以及材料性质的损伤劣化

.

按照

纵深防御原则

,

将易于发生上述破坏机制的管道排除在

LBB

分析的范围以外。

2.

3

LBB

准则

在确定一个管道可以应用

LBB

分析技术后

,

即需要对其进行断裂力学评定

,

判断它是否满足

LBB

条件

. LBB

认可准则通常包括以下几方面的要求。

(

1)

载荷要求

:

载荷应该包括在正常运行 条件下的静力和静弯矩以及与安

全停堆地震有关的力和弯矩

.

并且假设裂纹位于应力和材质组合最不利的位置

,

即应力最高而材料的韧性和强度最差的位置。

(

2)

缺陷尺寸和位置

:

应假设缺陷的尺寸足够大

,

以保证泄漏能被及时测量

到

.

一般要求在（

2

）运行载荷下裂纹的泄漏率是 泄漏监测系统能够监测到的最

小泄漏量的

10

倍。

(

3)

缺陷稳定性条件

:

在判断裂纹的稳定性时

,

将正常运行 载荷与安全停堆

地震载荷相，再乘以一个安全系数

(

根据载荷计算方法的不同

,

一般取

2

或

1.

0) ,

要求在此载荷作用下

,

裂纹是稳定的。

(

4)

缺陷尺寸裕度

:

满足条件

(

2)

的最小裂纹长度记为

2

a

leak

,

满足条件

( 3)

的临界失稳扩展的裂纹长度记为

2< /p>

a

crit

, LBB

条件要求

a

crit

?

S

a

a

le ak

其中安全裕度因子

S a

一般取为

2

。

(

5)

其它要求

:

如从时间上

,

要求有足够的时间实现 泄漏监测和安全保护措

施

,

即

t

LBB

?

S

t

T

式中为

t

LBB

贯穿裂纹从开始发生可监测泄漏到 发生失稳扩展的时间

,T

泄漏监测

系统 的响应时间

,

包括在正常工况下泄漏监测所需的时间以及采取 必要措施所

需的时间

,

S

t

为安全裕度因子。

3

几种典型的

LBB

判定方法

作为

LBB

分析的基础

,

弹塑性断裂力学的发展一日千里

,

断 裂力学、计算

力学等的一些重要成果在

LBB

分析中得到了应用

.

目前已有的

LBB

分析方法

有多种

,

有的是采用线弹性断裂力学的方法

,

这类方法比较简单

,

但是精度较差

,

而且不能解释一些非线性现象

,

如裂纹的稳定扩展

;

更多的方法是采 用弹塑性断

裂力学的方法

,

这类方法 主要包括双准则方法、

基于有限元的

J

积分方法、

裂纹

尖端张开位移方法、

基于载荷

-

位移曲线的

J

积分方法等

.

要应用一种

LBB

的分

析方法

,

首先要了解其主要特点和适用范围

(

如适用的几何构形、应变强化效应

和焊缝的处理、

精确度等

) .

如前所述

, LBB

分析包括一系列的断裂力学问题

,

本

节重点从韧性裂纹扩展的失效评定和临界载荷计算的角度介绍几类重要的

LBB

分析方法

,

因为裂纹扩展的稳定性分析是

LBB

分析的核心。

3.1

方法

GE. EPRI

方法也属于

J

积分的评定方法。对于弹塑性材料

,

可以将

J

积分

近似分解成弹性部分

J e

和塑性部分

J p.

对于管道弯曲情况

, J e

和

J p

可按下式

计算

,

J

e

?

?

?

?

0

?

p< /p>

?

M

?

M

d

?

e

,

< p>
J

p

?

?

?

d

?

p

0

?

A

?

A

式中

M

为弯矩

, A

为裂纹断裂面面积

,

?

?

?

e

?

< br>?

P

是由于裂纹存在引起的

加载 两端的转角

,

?

e

< br>和

?

p

分别为

< br>?

的弹性和塑性部分

.

San ders[8]

给出了在线

弹性情况下受拉伸和弯曲的含贯穿裂 纹管道的

J

e

计算公式

.

J

p

的计算较为复

杂

, GE. EPRI

方法以全塑性的有限元计算为基础给出

J p ,

< p>
然后利用线弹性和全

塑性的解进行内插得到弹塑性条件下的

J ,

其适用范围是从小范围屈服到大范围

屈服

.

在

Ramberg- Osgood

应力应变关系下

, J

积分的计算公式为

M

2

?

?

J

?

f

1

?

??

0

?

0

h

1

?

1

?

E

?

?

M

?

?

?

?

?

?

?

M

< br>0

?

?

?

?

n

?

1

?

?

1

?

M

0

?

4

?

0

R

2

t

?

cos

?

?

sin

?

2

?

2

?

< br>式中

,

系数

f 1

和

h1

根据

Irw in

塑性区修正方法

,

裂纹的有效半长表示为

2

< p>
a

eff

1

n

< p>
?

1

?

K

?

r

?

,

< /p>

a

?

R

?

?

a

?

,

< p>
y

2

?

?

2

?

n

?

1

?

0

?

?

1

?

?

M< /p>

?

?

M

0

?

r

y

?

< p>
?

?

?

式中

?

是裂纹半角

,

?

0

是在初始状态下的裂纹半角

.

作为

J

积分评定方法

, R6

方法和

GE. EPRI

方法遇到的两个困难是

: ( 1)

由

于

J

积分和失效评定图都是在单调比例加载的条件下建立的

,

因此难以处理非

比例加载和裂纹扩展的问题

;

( 2)

由于弹塑性断裂力学参数的非线性性质

,

叠加原理不再适用

. GE. EPRI

方法

计算的

J

积分值往往偏高

,

即评定结果偏于保守

,

其准确性受到两方面的限制

,

其一是

Ramberg-

Osgood

关系式与材料真实的应力应变关系有偏差

,

其二是没

有一种确定的方法对系数

f 1

和

h1

进行外插

.

尽管如此

, GE . EPRI

方法仍不失

为一种很有效的评定方法。

3.2 R6

方法

1976

年

,

英国中央电力局

( CEGB)

发布了一种

CEGB- R/ H/ R6

方法

(

简

称

R6

方法

),

这是一种简单明确的可靠性分 析方法

.

它利用了屈服带模型

, < /p>

通过

将线弹性断裂和塑性失稳破坏的条件进行内插

,

包含了裂纹尖端塑性变形的影

响

. < /p>

并在塑性失稳分析中利用流变应力

?

f< /p>

的概念引入了应变强化效应

,

?

f

通常

定义为屈服极限

?

y

和强度极限

?

< br>b

的平均值

.

后来

,

R6

方法历经两次修改

,

到

1986

年公布了第三版即

CEGB- R/ H/ R6- Rev. 3

修改之后的

R6

方法更多地借鉴< /p>

了弹塑性断裂力学的研究成果

(

如

J

的计算方法

)

,

能够用于应变强化性质很明

显的材 料如奥氏体钢、低碳钢等

.

它给出了用

J

积分表示的内插公式

,

不再采用

流变应力的概念

,

也不再采用

Ramberg-Osgood

公式表示的强化规律

,

因为

Ramberg- Osgood

公式在用于奥氏体钢时遇到了一些困难

,

而是采用真实的应力