在役压力容器容限分析
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摘要
本文是甘肃省劳动厅资助项目“在役压力容器容限分析”的一部分。
本文在下面几方面作了研究并取得成果：
（1）首先回顾和总结了在役压力容器缺陷评定和容限分析的发展现状，并主要
对失效评定图、概率方法、智能方法（尤其人工神经网络方法）、疲劳工程评定
方法新进展进行了综述。并且对今后的发展方向做出展望。
（2）针对工程上常见的破坏性极大的压力容器的疲劳问题，由于其数据的分散
性，目前的计算寿命很保守。本文提出了一个适于压力容器的弹塑性疲劳裂纹扩
展率计算公式，该公式采用弹塑性分离的形式，主要适用于Paris区和高速扩展
区的一部分。通过公式的验证，说明该公式的其合理性，并给出了便于应用的工
程计算方法。
（3）目前工程上广泛应用Paris公式来描述裂纹扩展速率与应力强度因子的关
系。一般来说Paris公式的参数可以通过实验获得。为达到减少实验次数，充分
利用已有数据和节省时间的目的。本文采用基于神经网络的方法对压力容器疲劳
裂纹扩展率公式（Paris公式）中的两个材料常数进行了估算，用人工神经网络
建立一个学习系统，方便的获得各种材料的疲劳裂纹扩展率。通过计算和实验数
据的比较，证明了利用神经网络进行疲劳裂纹扩展率的估算是可行的。
（4）应用该公式对一种压力容器进行了寿命估算和LBB（破前漏）分析。
（5）复合型裂纹在工程上是普遍存在的，由于它的应力状态的复杂性，工程上
在一系列假设的前提下提出了一些准则。这与强度理论的思想是一致的。基于二
者之间的共性，建立了一个基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则。
This paper is one part of the project the fracture and fatigue life of pressure
vessels? which is supported by science foundation of Department of Labor and Social
Security of GanSu Province.
Based on investigation, the following results are obtained:
(1) Firstly, this paper reviewed briefly the development of safety assessment for
pressure vessels. That include: 0 the development of FAD technology; ?the
application of probabilistic method; he application of fuzzy method(esp. artificial
neural network); Othe new advances on engineering assessment methods for fatigue.
In the last, the developing direction in the future is prospected in the paper.
(2)The fatigue of Pressure Vessel is a popular problem in engineering. The
method of estimate fatigue life is very shorter than examination because of the
dispersion of examination data. A formula is presented in this paper that is suitable to
estimate fatigue crack growth Rate of the pressure vessels. The formula which
separate the elastic and plastic component can be used in Paris zone and quickly
growth zone. in this paper, the reasonableness is interpreted and the estimation
method that could be used easily is presented. The application of this formula can
improve the precision of calculate.
(3) It has been widely used that the Paris law can discripted the relation between
the fatigue crack growth rate and the stress intensity factor. The parameter of Paris
law can be achieved by experiment. In this paper, a manner based on the artificial
neural network is presented, which can estimate the parameter of Paris law in order to
reduce experiments, take advantage of data and save times. Through comparing the
results of estimation with experiment data, we prove that it抯 practical to estimate the
rate by neural network method.
(4)the fatigue life of a pressure vessel is estimated by this formula, and it抯 LBB
analysis is presented.
(5)Mixed mode cracks is in existence universally. Because of its complexity of
combined stresses just as strength theory , a lot of mixed mode fracture criteria are
presented based on some hypothesis. In this paper a mixed mode fracture criteria was
established which based on the Yu's unified strength theory from the commonness of
both theory.
本文在下面几方面作了研究并取得成果：
（1）首先回顾和总结了在役压力容器缺陷评定和容限分析的发展现状，并主要
对失效评定图、概率方法、智能方法（尤其人工神经网络方法）、疲劳工程评定
方法新进展进行了综述。并且对今后的发展方向做出展望。
（2）针对工程上常见的破坏性极大的压力容器的疲劳问题，由于其数据的分散
性，目前的计算寿命很保守。本文提出了一个适于压力容器的弹塑性疲劳裂纹扩
展率计算公式，该公式采用弹塑性分离的形式，主要适用于Paris区和高速扩展
区的一部分。通过公式的验证，说明该公式的其合理性，并给出了便于应用的工
程计算方法。
（3）目前工程上广泛应用Paris公式来描述裂纹扩展速率与应力强度因子的关
系。一般来说Paris公式的参数可以通过实验获得。为达到减少实验次数，充分
利用已有数据和节省时间的目的。本文采用基于神经网络的方法对压力容器疲劳
裂纹扩展率公式（Paris公式）中的两个材料常数进行了估算，用人工神经网络
建立一个学习系统，方便的获得各种材料的疲劳裂纹扩展率。通过计算和实验数
据的比较，证明了利用神经网络进行疲劳裂纹扩展率的估算是可行的。
（4）应用该公式对一种压力容器进行了寿命估算和LBB（破前漏）分析。
（5）复合型裂纹在工程上是普遍存在的，由于它的应力状态的复杂性，工程上
在一系列假设的前提下提出了一些准则。这与强度理论的思想是一致的。基于二
者之间的共性，建立了一个基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则。
This paper is one part of the project the fracture and fatigue life of pressure
vessels? which is supported by science foundation of Department of Labor and Social
Security of GanSu Province.
Based on investigation, the following results are obtained:
(1) Firstly, this paper reviewed briefly the development of safety assessment for
pressure vessels. That include: 0 the development of FAD technology; ?the
application of probabilistic method; he application of fuzzy method(esp. artificial
neural network); Othe new advances on engineering assessment methods for fatigue.
In the last, the developing direction in the future is prospected in the paper.
(2)The fatigue of Pressure Vessel is a popular problem in engineering. The
method of estimate fatigue life is very shorter than examination because of the
dispersion of examination data. A formula is presented in this paper that is suitable to
estimate fatigue crack growth Rate of the pressure vessels. The formula which
separate the elastic and plastic component can be used in Paris zone and quickly
growth zone. in this paper, the reasonableness is interpreted and the estimation
method that could be used easily is presented. The application of this formula can
improve the precision of calculate.
(3) It has been widely used that the Paris law can discripted the relation between
the fatigue crack growth rate and the stress intensity factor. The parameter of Paris
law can be achieved by experiment. In this paper, a manner based on the artificial
neural network is presented, which can estimate the parameter of Paris law in order to
reduce experiments, take advantage of data and save times. Through comparing the
results of estimation with experiment data, we prove that it抯 practical to estimate the
rate by neural network method.
(4)the fatigue life of a pressure vessel is estimated by this formula, and it抯 LBB
analysis is presented.
(5)Mixed mode cracks is in existence universally. Because of its complexity of
combined stresses just as strength theory , a lot of mixed mode fracture criteria are
presented based on some hypothesis. In this paper a mixed mode fracture criteria was
established which based on the Yu's unified strength theory from the commonness of
both theory.
引文
1．王志文等．制定我国在役压力容器缺陷评定新规程的技术路线。化工机械1994；21(1)：51
2．李培宁。我国压力容器面型缺陷安全评估进展。压力容器 1994：11(3)：48
3．雷月葆，李培宁等。三段幂次J积分估算方法的验证和改进(一)。压力容器1996；13(4)：18
4．雷月葆，李培宁等。三段幂次J积分估算方法的验证利改进(二)。压力容器1996；13(5)：35
5．王志文，李培宁等。我国压力容器通用失效评定曲线的初步研究。化工机械1995；22(2)：53
6．郭奇等。焊缝区中裂纹的J积分和失效评定曲线的研究(一)。压力齐器1994；11(2)：110
7．王志文。焊缝区中裂纹的J积分和失效评定曲线的研究(二)。压力容器1994；11(4)：286
8．秦红等。热—机械载荷联合作用下含裂纹结构弹塑性断裂评定。压力容器1994；11(3)：187
9．王炎炎，汪志业。断裂韧性J_(IC)及J_R阻力曲线的实验研究(一)。压力容器1995；12(4)：297
10．汪志业，王炎炎等。断裂韧性J_(IC)及J_R阻力曲线的实验研究(二)。压力容器1995；12(5)：
11．潘红良，李培宁。失效评定曲线处理焊接残余应力的推荐方法。压力容器1996；13(1)：9
12．王威强。钝裂纹或缺口下失效评定图的变化及修正方法研究。机械工程学报1999；35(4)：
13．王志文等。接管高应变区的二维模拟及失效评定曲线研究(一)。压力容器1996；13(3)：187
14．黄襄念，王志文。接管高应变区裂纹的失效评定曲线研究(二)。压力容器1996：13(4)291
15．金志江。高应变区准三维模型失效评定曲线FAC的研究。工程设计1999；(3)：44
16．陈国华。含缺陷压力齐器失效概率分析方法初步研究。化工机械1996；23(4)：40
17．武淮生等。概率形式的R6结构完整性评定方法。压力容器1996；13(2)：22
18. Wang W Q, Liu C J, Zhou S J. On the probabilistic failure assessment diagram, Int. J .Pressure Vessels and Piping 1999;76:653-662
19. Han lianghao, han liangxiu, Liu Cengdian. Neural network applied to prediction of the failure stress for a pressurized cylinder containing defects. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:215
20．俞树荣等。人工神经网络与失效评定图在压力容器安全评定中的应用。化工机械1999；26(5)：280
21．俞树荣，王志文。材料力学性能的模糊模式识别。甘肃科学学报1999；11(3)：1
22．任伟，王伟，张康达。高应力集中区中疲劳裂纹扩展。压力容器1992；9(5)：7
23．林晓斌。疲劳裂纹工程评定方法的新进展。压力容器1996；13(3)：61
24. Lin X B, Smith R A. Finite element modelling of fatigue crack growth of surface cracked plates. Engineering Fracture Mechanics 1999;63:503-556
25．卢炎麟，张淑佳，俞志清。焊趾表面裂纹的形态发展曲线与疲劳寿命预测。应用力学学报1999；16(1)：81-87
26. Burande S, Sethuraman Raju. Computational Simulation of Fatigue Crack Growth and Demonstration of Leak Before Break Criterion. Int. J. Pressure Vessels and piping 1999; 75:331-338
27．林晓斌，Smith R A．形状不规则裂纹的疲劳寿命预测技术。中国机械工程1998；9(11)：43
28. Hong Y J, Xing J, Wang J B. Statistical analysis of fatigue crack growth for 16MnR steel under constant amplitude loads. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:379
29. Xie Liyang. Equivalent life distribution and fatigue failure probability prediction. Int. J. Press Vessels and Piping 1999; 76:267
30．金星，钟群鹏等。疲劳安全与寿命可靠性评估二次三阶矩方法。固体力学学报1998；19(4)：365
31. Hong Y J, Jin X, Wang J B. A second-order third-moment method for calculating the reliability of fatigue. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:567-570
32. Xing J, Hong Y J. A maximum likelihood method for estimates of tile statistics of the crack growth behavior. Int. J.Pressure Vessels and Piping 1999; 76:641-646
33．陈裕，王铁军，程光旭。焊接接头低周疲劳裂纹扩展的统计分析与可靠性最弱环模型。应用力学学报1999；16(3)：39-46
34. Dai Shuho. Methodology for predicting the occurrence of failure events for pressure vessels used in the process industry. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1998; 75:221-228
35. Han yulin, Liu Xi, Dai shuho. Fatigue life calculation of flawed structures—based on artificial neural network with special learning set. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1998;75:263-269
36．沈士明，刘曦，戴树和。焊接缺陷对结构疲劳性能影响的模糊评判。化工机械1995；22(4)：34
37．周则恭等。概率断裂力学在压力容器中的应用。北京：中国石化出版社1996
38．计算贯穿裂纹疲劳J积分范围和蠕变J积分范围简化方法的改进。压力容器1993；10(1)：1
39．傅惠民等。确定疲劳极限的极小样本方法。机械强度1999；21(2)：115
40．林晓斌，Smith R A。应用三维有限单元法计算应力强度因子。中国机械工程1998；9(11)：39-42
41．董亚民，冯峰，黄克智。压力容器LBB评估技术中的裂纹扩展稳定性分析方法。工程力学1999；16(4)：16-23
42．赵少汴，王忠保。抗疲劳设计—方法与数据。机械工业出版社1997
43．压力容器缺陷评定规范CVDA-1984
44．华东理工大学译。有缺陷结构完整性的评定标准R／H／R6—第三版1986
45．刘桂华等。120m315MnV液氨球罐裂纹产生原因和剩余寿命分析。机械强度1999；21(3)：235-239
46．候维廉。焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响。压力容器1996；13(2)：26
47．沈珉，杨海元。裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响。实验力学1999；14(3)：302
48．任伟，张康达常用的16MNR等压力容器用钢疲劳裂纹扩展速率。压力容器1996；13(3)：25
49. Smith R A. Thirth Years of Fatigue Crack Growth—An Historical Review. Fatigue Crack Growth, Proceeding of A Conference on Fatigue Crack Growth, Cambridge UK,20 Sept 1984
2．李培宁。我国压力容器面型缺陷安全评估进展。压力容器 1994：11(3)：48
3．雷月葆，李培宁等。三段幂次J积分估算方法的验证和改进(一)。压力容器1996；13(4)：18
4．雷月葆，李培宁等。三段幂次J积分估算方法的验证利改进(二)。压力容器1996；13(5)：35
5．王志文，李培宁等。我国压力容器通用失效评定曲线的初步研究。化工机械1995；22(2)：53
6．郭奇等。焊缝区中裂纹的J积分和失效评定曲线的研究(一)。压力齐器1994；11(2)：110
7．王志文。焊缝区中裂纹的J积分和失效评定曲线的研究(二)。压力容器1994；11(4)：286
8．秦红等。热—机械载荷联合作用下含裂纹结构弹塑性断裂评定。压力容器1994；11(3)：187
9．王炎炎，汪志业。断裂韧性J_(IC)及J_R阻力曲线的实验研究(一)。压力容器1995；12(4)：297
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11．潘红良，李培宁。失效评定曲线处理焊接残余应力的推荐方法。压力容器1996；13(1)：9
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13．王志文等。接管高应变区的二维模拟及失效评定曲线研究(一)。压力容器1996；13(3)：187
14．黄襄念，王志文。接管高应变区裂纹的失效评定曲线研究(二)。压力容器1996：13(4)291
15．金志江。高应变区准三维模型失效评定曲线FAC的研究。工程设计1999；(3)：44
16．陈国华。含缺陷压力齐器失效概率分析方法初步研究。化工机械1996；23(4)：40
17．武淮生等。概率形式的R6结构完整性评定方法。压力容器1996；13(2)：22
18. Wang W Q, Liu C J, Zhou S J. On the probabilistic failure assessment diagram, Int. J .Pressure Vessels and Piping 1999;76:653-662
19. Han lianghao, han liangxiu, Liu Cengdian. Neural network applied to prediction of the failure stress for a pressurized cylinder containing defects. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:215
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21．俞树荣，王志文。材料力学性能的模糊模式识别。甘肃科学学报1999；11(3)：1
22．任伟，王伟，张康达。高应力集中区中疲劳裂纹扩展。压力容器1992；9(5)：7
23．林晓斌。疲劳裂纹工程评定方法的新进展。压力容器1996；13(3)：61
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28. Hong Y J, Xing J, Wang J B. Statistical analysis of fatigue crack growth for 16MnR steel under constant amplitude loads. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:379
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31. Hong Y J, Jin X, Wang J B. A second-order third-moment method for calculating the reliability of fatigue. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1999; 76:567-570
32. Xing J, Hong Y J. A maximum likelihood method for estimates of tile statistics of the crack growth behavior. Int. J.Pressure Vessels and Piping 1999; 76:641-646
33．陈裕，王铁军，程光旭。焊接接头低周疲劳裂纹扩展的统计分析与可靠性最弱环模型。应用力学学报1999；16(3)：39-46
34. Dai Shuho. Methodology for predicting the occurrence of failure events for pressure vessels used in the process industry. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1998; 75:221-228
35. Han yulin, Liu Xi, Dai shuho. Fatigue life calculation of flawed structures—based on artificial neural network with special learning set. Int. J. Pressure Vessels and Piping 1998;75:263-269
36．沈士明，刘曦，戴树和。焊接缺陷对结构疲劳性能影响的模糊评判。化工机械1995；22(4)：34
37．周则恭等。概率断裂力学在压力容器中的应用。北京：中国石化出版社1996
38．计算贯穿裂纹疲劳J积分范围和蠕变J积分范围简化方法的改进。压力容器1993；10(1)：1
39．傅惠民等。确定疲劳极限的极小样本方法。机械强度1999；21(2)：115
40．林晓斌，Smith R A。应用三维有限单元法计算应力强度因子。中国机械工程1998；9(11)：39-42
41．董亚民，冯峰，黄克智。压力容器LBB评估技术中的裂纹扩展稳定性分析方法。工程力学1999；16(4)：16-23
42．赵少汴，王忠保。抗疲劳设计—方法与数据。机械工业出版社1997
43．压力容器缺陷评定规范CVDA-1984
44．华东理工大学译。有缺陷结构完整性的评定标准R／H／R6—第三版1986
45．刘桂华等。120m315MnV液氨球罐裂纹产生原因和剩余寿命分析。机械强度1999；21(3)：235-239
46．候维廉。焊接残余应力对压力容器疲劳裂纹扩展的影响。压力容器1996；13(2)：26
47．沈珉，杨海元。裂纹闭合和循环塑性预应变及循环载荷压缩部分对裂纹扩展速率的影响。实验力学1999；14(3)：302
48．任伟，张康达常用的16MNR等压力容器用钢疲劳裂纹扩展速率。压力容器1996；13(3)：25
49. Smith R A. Thirth Years of Fatigue Crack Growth—An Historical Review. Fatigue Crack Growth, Proceeding of A Conference on Fatigue Crack Growth, Cambridge UK,20 Sept 1984