張旭

（上海卓然工程技術(shù)股份有限公司，上海 200335）

1 問(wèn)題背景

20 世紀(jì)80 年代，原油價(jià)格大幅上漲導(dǎo)致了世界性的能源危機(jī)，迫使人們對(duì)傳統(tǒng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式進(jìn)行了反思，經(jīng)濟(jì)、高效的理念和原則在現(xiàn)代工業(yè)裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)行中日益受到重視，進(jìn)而導(dǎo)致了發(fā)電、石油、化工工藝向著高溫高壓和大型化趨勢(shì)發(fā)展。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，隨著能源短缺、環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，可持續(xù)發(fā)展成為人類共同的理念，進(jìn)一步促進(jìn)了相關(guān)工藝參數(shù)的提高，出現(xiàn)了1 000 MW 以上的超超臨界機(jī)組，蒸汽溫度達(dá)到600 ～ 650 ℃，壓力達(dá)到32 ～ 35 MPa； 乙烯裂解爐爐內(nèi)管最高設(shè)計(jì)溫度達(dá)到1 150 ℃，壓力為0.2 MPa；即便急冷后的爐外工藝管道最高工作溫度也在600 ℃，核電作為傳統(tǒng)能源重要的一極也得到了快速發(fā)展，特別作為第四代堆代表的鈉冷快堆和高溫氣冷堆，冷卻傳熱介質(zhì)工作溫度到550 ～ 750 ℃。先進(jìn)的過(guò)程工藝一般均在高溫高壓下運(yùn)行，任何設(shè)備事故所導(dǎo)致的非計(jì)劃停車，均可能造成重大損失，高參數(shù)對(duì)研究人員和工程師們提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，比如高溫問(wèn)題，高溫下材料的損傷和老化是隨時(shí)間而漸變的過(guò)程，在負(fù)荷波動(dòng)工況惡劣的條件下，多種損傷機(jī)制交互作用，就工程設(shè)計(jì)而言，材料高溫下實(shí)際性能獲取的高成本造成缺乏足夠可靠的數(shù)據(jù)形成實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全的設(shè)計(jì)方法。

2 材料高溫特性簡(jiǎn)述

金屬材料的蠕變就是高溫下金屬構(gòu)件發(fā)生隨時(shí)間的漸增性塑性變形，在單純?nèi)渥冞^(guò)程中，應(yīng)力和變形的特點(diǎn)是：應(yīng)力是常數(shù)，彈性變形不變，非彈性變形不斷增加，所以總的變形增加，蠕變過(guò)程所積累的非彈性變形與由屈服而發(fā)生的塑性變形是有區(qū)別的，后者的塑性變形是在受力作用下（機(jī)械或位移荷載），晶體內(nèi)部滑移層出現(xiàn)相對(duì)位移的結(jié)果，晶粒被拉長(zhǎng)，與時(shí)間無(wú)關(guān)；前者是高溫下晶界之間相對(duì)滑移的結(jié)果，同時(shí)伴隨晶粒間發(fā)生擴(kuò)散，所以蠕變導(dǎo)致的破壞往往是沿晶界的。一般認(rèn)為蠕變發(fā)生與否，與金屬熔點(diǎn)溫度Tm有關(guān)，可粗略地根據(jù)工作溫度是否大于0.5 Tm進(jìn)行判斷，實(shí)際合金則多在（0.4～0.6）Tm之間，當(dāng)工作溫度大于0.5 Tm時(shí)，應(yīng)力小于材料屈服極限，蠕變也會(huì)發(fā)生。圖1 是常用鋼材許用應(yīng)力隨時(shí)間變化圖，從圖1 可以看出材料達(dá)到某一溫度后許用應(yīng)力急劇下降，原因就在于失效模式由斷裂過(guò)渡為蠕變失效，也可以看出材料合金化（加入鉻，鎳，鉬等元素）可以明顯提高發(fā)生此類過(guò)渡（蠕變）的溫度。如圖2所示，金屬材料的蠕變過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段，第一階段為蠕變不穩(wěn)定階段，此階段是蠕變率α 逐漸下降階段，根據(jù)材料性能，溫度高低和應(yīng)力大小，其時(shí)間長(zhǎng)短從幾小時(shí)到幾百小時(shí)不等。第二階段是蠕變率幾乎保持不變的階段，蠕變曲線基本是直線且與其他兩部分相比經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)（如圖3），一般所指的金屬蠕變速率，都是指這一階段，這是由于金屬材料塑性應(yīng)變引起的硬化與高溫退火導(dǎo)致的軟化相互抵消使得蠕變速率最低并保持穩(wěn)定的階段，這個(gè)階段歷程長(zhǎng)，因此是進(jìn)行大多數(shù)金屬（少數(shù)特殊設(shè)計(jì)的合金除外，如某些鎳基合金）構(gòu)件蠕變?cè)O(shè)計(jì)的依據(jù)。第三階段是蠕變變形加快導(dǎo)致斷裂的階段，這是由于變形過(guò)程中構(gòu)件截面減小，內(nèi)部出現(xiàn)孔洞。第一和第二階段構(gòu)件截面上的應(yīng)力基本恒定。

圖1 高溫下常見(jiàn)鋼材許用應(yīng)力Fig.1 Allowble stress at high temp. for common steels

圖2 一般金屬材料等應(yīng)力下的蠕變曲線（試件單軸向拉伸）Fig.2 Creep regimes — strain vs. time at constant stress(specimen subject to uniaxial tension)

圖3 應(yīng)變-時(shí)間的關(guān)系圖Fig.3 Curve for strain rate-time

還有一種常用的材料高溫性能表達(dá)方式，就是采用等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，橫坐標(biāo)是應(yīng)變，縱坐標(biāo)是應(yīng)力，只是以曲線族的形式出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于每一不同的溫度根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出一個(gè)曲線族，每一條曲線又對(duì)應(yīng)于不同的作用時(shí)間，圖4 即是奧氏體不銹鋼304在538 ℃下的等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線族，等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在結(jié)構(gòu)高溫蠕變?cè)O(shè)計(jì)中有非常重要的意義，可用于迅速估算累積塑性變形。

圖4 ASME III 供奧氏體不銹鋼等時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Isochronous stress-strain curve for austenitic stainless steel from ASME III

3 高溫管道應(yīng)力分析現(xiàn)有規(guī)范方法

在低溫下（蠕變溫度以下），管道上的應(yīng)變分布大致相當(dāng)于均值為零的冷熱態(tài)分布，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形累積，在蠕變溫度下，由于晶粒移動(dòng)形成空位，從而產(chǎn)生塑性變形積累，造成沿晶界的破壞，是一個(gè)隨時(shí)間的累積過(guò)程，如圖5 所示。

由于行業(yè)、地區(qū)不同，國(guó)內(nèi)管道設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50316、GB/T 20801、SH 3041）對(duì)使用溫度在蠕變范圍的管道計(jì)算沒(méi)有規(guī)定，只有關(guān)于高溫使用條件下材料選擇的簡(jiǎn)單指導(dǎo)性規(guī)定，歐美規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)操作于蠕變溫度之上管道應(yīng)力分析規(guī)定有很大不同，側(cè)重點(diǎn)也不同[1-3]。

圖5 低溫下管道應(yīng)變Fig.5 Strain of piping without creep

根據(jù)多年實(shí)踐與研究，研究人員發(fā)現(xiàn)高溫部件主要失效形式可以總結(jié)為以下幾種：①在持續(xù)機(jī)械載荷下的蠕變斷裂；②在持續(xù)一次載荷下發(fā)生過(guò)度蠕變變形；③在穩(wěn)定的一次載荷和循環(huán)的二次載荷作用下導(dǎo)致蠕變棘輪；④在循環(huán)的一次、二次和峰值應(yīng)力作用下導(dǎo)致蠕變疲勞失效；⑤蠕變裂紋擴(kuò)展和非延展性斷裂；⑥蠕變屈曲。在石化行業(yè)一般只考慮①②③④種失效模式就足夠了，④蠕變疲勞評(píng)估如果是針對(duì)宏觀的低周疲勞，也可以由前兩種評(píng)估覆蓋，以上幾種形式失效都和時(shí)間歷程相關(guān)，這是和低溫部件（蠕變溫度以下）失效相區(qū)別的顯著特點(diǎn)。按失效特點(diǎn)可以分為荷載控制型和變形控制型兩類。

3.1 非核行業(yè)

3.1.1 ASME B31.3 & ASME B31.1

對(duì)蠕變工況，ASME B31.3 在分析計(jì)算上并未作特別處理和更多的描述，B31.1 也只是指出“當(dāng)選擇在800 °F 以上運(yùn)行的管道的設(shè)計(jì)溫度時(shí)，應(yīng)充分考慮超過(guò)設(shè)計(jì)溫度長(zhǎng)期運(yùn)行所引起的加速蠕變損傷導(dǎo)致的過(guò)大蠕變應(yīng)變和潛在的管道斷裂”[1]，分析計(jì)算上沒(méi)有提供專門的處理方法。

對(duì)于高溫工況，按材料分，奧氏體不銹鋼及鎳基合金≥427 ℃，對(duì)碳素鋼及低合金鋼≥370 ℃，許用應(yīng)力的確定均將蠕變斷裂為失效模式加以考慮，高溫下以十萬(wàn)小時(shí)蠕變斷裂持久極限為基礎(chǔ)確定許用應(yīng)力，高溫引起的構(gòu)件蠕變對(duì)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三方面的影響：①相對(duì)母材而言高溫下焊縫強(qiáng)度的衰減；②在高溫蠕變情況下加劇的彈性跟隨現(xiàn)象；③高溫蠕變對(duì)管道系統(tǒng)疲勞壽命的影響。

隨著對(duì)實(shí)踐認(rèn)知的深入，基于高溫管道系統(tǒng)連接常采用焊接這一事實(shí)，ASME B31.3 的2004 版中加入了焊接接頭強(qiáng)度降低系數(shù)W（參見(jiàn)B31.3 302.3.5章節(jié)），以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中不斷遇到的高溫問(wèn)題，從工程和經(jīng)濟(jì)性保守的角度處理問(wèn)題，其定義為引起高溫失效的焊縫處名義應(yīng)力與引起高溫失效母材名義應(yīng)力之比，可以通過(guò)試驗(yàn)確定，試驗(yàn)時(shí)間最少為1 000 h。高溫構(gòu)件在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，焊縫區(qū)域發(fā)生早期失效的案例早就有報(bào)道，比如對(duì)于低合金鐵素體耐熱鋼高溫管道，英國(guó)前國(guó)家電力局（CEGB）就焊縫高溫蠕變斷裂失效進(jìn)行過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不考慮焊接缺陷，蠕變開裂與焊縫自身性能相關(guān)，之所以對(duì)焊縫強(qiáng)度進(jìn)行折減，原因在于焊縫處存在組分、金相組織、幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)以及不恰當(dāng)焊后熱處理工藝造成的較高焊接殘余應(yīng)力，在高溫下（蠕變溫度以上）這些因素對(duì)加速蠕變破壞影響很大，蠕變失效時(shí)應(yīng)力水平一般都比較低（遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度），W 適用于管道縱焊縫，螺旋焊縫及環(huán)焊縫，縱焊縫和螺旋焊縫產(chǎn)生于管道預(yù)制階段，在壁厚計(jì)算公式中也有體現(xiàn)，在GB 20801.3—2020[3]中壁厚計(jì)算公式中也引入了W，意義和B31.3 無(wú)異，環(huán)焊縫產(chǎn)生于管道布置組裝，即存在于管道安裝之后，前者需在確定管道壁厚的壓力設(shè)計(jì)中考慮，即在焊接質(zhì)量系數(shù)之外考慮，后者應(yīng)用于校核持久一次軸向應(yīng)力，W 用于折減管道承受相應(yīng)應(yīng)力的強(qiáng)度，B31.3 服務(wù)于非核項(xiàng)目（主要是石化行業(yè)），項(xiàng)目成本核算決定了工程進(jìn)度安排都比較緊張，所以規(guī)范實(shí)施一般不明確環(huán)焊縫位置，從保守計(jì)假定環(huán)焊縫可能出現(xiàn)在管路的任何位置，所以直接對(duì)許用應(yīng)力進(jìn)行折減即可，規(guī)范上提供W從510 ℃下的1.0 線性變化到810 ℃下的0.5，使用中可以線性插值，這一明顯變化也表明了高溫下許用應(yīng)力由常規(guī)抗拉強(qiáng)度決定轉(zhuǎn)變?yōu)橛傻挚谷渥冃阅軟Q定。由于W 的引入是針對(duì)蠕變失效，而蠕變是一個(gè)持續(xù)過(guò)程，二次應(yīng)力不具有持續(xù)性特點(diǎn)且有自限性，同時(shí)還會(huì)疊加應(yīng)力松弛，所以在偶然荷載和位移荷載應(yīng)力校核中不予考慮，但是B31.3 在二次應(yīng)力校核時(shí)并未提及高溫下安定性條件變化，帶來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算的不嚴(yán)密和實(shí)踐上的隱患，將在后面討論。

B31.3—2004 版后對(duì)于高溫偶然荷載，為低合金鋼（鉻鉬鋼）推薦了一個(gè)許用應(yīng)力確定方法，即以操作溫度下材料屈服極限的90%乘以一個(gè)強(qiáng)度降低系數(shù)作為許用應(yīng)力，在沒(méi)有更合適數(shù)據(jù)情況下可以取0.8，此法不適用奧氏體不銹鋼。這樣處理是偏于保守的。

對(duì)于某些管路系統(tǒng)，在蠕變溫度區(qū)彈性跟隨會(huì)很嚴(yán)重，見(jiàn)圖6 示意，由于按常用的管道設(shè)計(jì)規(guī)范（ASME B31.3 或者GB 20801—2020）要求的管道應(yīng)力分析都采用彈性分析方法，該方法適用的前提是管路系統(tǒng)是平衡的，所以對(duì)于非平衡系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段對(duì)熱應(yīng)力（二次應(yīng)力）還采取常規(guī)的許用值就會(huì)忽略掉蠕變斷裂破壞，即使計(jì)算應(yīng)力確實(shí)落在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但敏感局部蠕變變形累積引起的快速蠕變斷裂破壞仍會(huì)發(fā)生。典型的非平衡系統(tǒng)就是管路相連部分由于溫度、材質(zhì)、尺寸的差異造成相鄰管段剛度差異大，這樣在蠕變溫度下會(huì)在局部迅速產(chǎn)生過(guò)大的蠕變變形。規(guī)范并沒(méi)有從設(shè)計(jì)規(guī)定上提出解決辦法，推薦了冷緊作為降低不平衡性的措施，但實(shí)踐操作上往往不被工程公司和業(yè)主接受。

圖6 彈性跟隨定義說(shuō)明圖Fig.6 Schematic for definition of elastic follow-up

需要指出的是ASME B31.3 中系數(shù)W 是以ASME III 5 冊(cè)中HBB 章節(jié)（原ASME III DIV.1 NH 篇）所規(guī)定的系數(shù)為基礎(chǔ)，以十萬(wàn)小時(shí)為設(shè)計(jì)工作時(shí)限，這些系數(shù)綜合考慮了有限材料組合、焊接材料、母材以及橫跨焊縫的蠕變破壞數(shù)據(jù)等因素，并將它們調(diào)整至與ASME B31.3 應(yīng)力基準(zhǔn)比較相稱而定的。ASME III 5 冊(cè)僅適提供五種材質(zhì)（兩種奧氏體不銹鋼，兩種鉻鉬鋼和一種鎳基合金）高溫性能曲線。

工程上還經(jīng)常會(huì)遇到間歇性高溫，設(shè)計(jì)之初從建造成本考慮并未將裝置可能出現(xiàn)的最高溫度作為設(shè)計(jì)溫度，只是對(duì)高溫工況進(jìn)行評(píng)估，在業(yè)主許可的前提下，這是允許的。B31.3 附錄V 提供了以Larson-Millar 參數(shù)計(jì)算為基礎(chǔ)的壽命分?jǐn)?shù)評(píng)估法作為對(duì)高溫間歇工況的工程評(píng)估方法，盡管存在一定誤差，但使用方便，此方法只考慮管系整體強(qiáng)度，不考慮局部應(yīng)力，既避免了復(fù)雜的應(yīng)力分析，又具有一定的工程精度，所以得到了一定范圍的應(yīng)用[4-5]。

一次持續(xù)軸向應(yīng)力校核以確保管道不發(fā)生蠕變斷裂，二次應(yīng)力校核以安定性準(zhǔn)則為依據(jù)，即一二次應(yīng)力之和小于等于兩倍屈服限以確保系統(tǒng)不發(fā)生低周疲勞，B31.3 不具體考慮峰值應(yīng)力，對(duì)其的限制包含在低周疲勞考慮中，這一基本準(zhǔn)則是在蠕變溫度以下得來(lái)的，當(dāng)材料在蠕變溫度以上工作時(shí)，該準(zhǔn)則就會(huì)出現(xiàn)偏差，傳統(tǒng)的安定性準(zhǔn)則不能覆蓋可能出現(xiàn)的失效模式，因?yàn)槿渥儨囟戎?，即便在低?yīng)力水平下，隨著時(shí)間的延續(xù)，結(jié)構(gòu)或整體或局部都可能發(fā)生較顯著的非彈性變形，在工程上很多情況下過(guò)大的塑性變形是不允許的[6-7]。

3.1.2 EN 13480

EN 13480 是歐洲工業(yè)管道設(shè)計(jì)規(guī)范，適用范圍大致相當(dāng)于B31.3 & B31.1， 規(guī)范中對(duì)蠕變工況應(yīng)力水平專門進(jìn)行校核計(jì)算，當(dāng)管道處于蠕變工作區(qū)間，由持續(xù)荷載和位移荷載引起的應(yīng)力校核不等式表示如 下：

式中 MA—— 由壓力、重力等持續(xù)荷載引起的合成彎矩；

MC——由熱脹等位移荷載引起的合成彎矩；

Z——管道截面模量；

fCR——由蠕變失效決定的許用應(yīng)力。

形式上是一二次應(yīng)力直接相加，對(duì)二次應(yīng)力考慮了高溫下受力截面最外層纖維松弛而采用三分之一彎矩以不過(guò)分保守，也更符合實(shí)際情況，類似于ASME III 中考慮截面系數(shù)K，這一驗(yàn)證方程可以有效地防止蠕變溫度下出現(xiàn)的熱棘輪。

3.2 核電行業(yè)

國(guó)際上核電裝置管道應(yīng)力分析按ASME III & RCCM，針對(duì)高溫堆部件按ASME III 5（核心內(nèi)容由2015 年版前NH 篇和案例分析N-253 組成，分別包含處理安全一級(jí)和安全二三級(jí)部件的方法和準(zhǔn)則），它是在美國(guó)液體金屬快中子增殖堆項(xiàng)目支持下發(fā)展起來(lái)的，適合材料包括 ：304 和316 型奧氏體不銹鋼，Ni-Fe-Cr（Alloy 800H），2.25Cr-1Mo，9Cr-1Mo-V 等五種金屬材料。根據(jù)核電行業(yè)特點(diǎn)，對(duì)不同安全等級(jí)的部件采取不同的設(shè)計(jì)方案和準(zhǔn)則，對(duì)安全一級(jí)高溫（蠕變范圍）管道部件，分別進(jìn)行載荷控制應(yīng)力強(qiáng)度校核和變形應(yīng)變控制非彈性變形累積校核計(jì)算，應(yīng)力強(qiáng)度校核采用的許用值是與時(shí)間相關(guān)的St和Smt， 其中Smt適用于一次總體薄膜應(yīng)力校核，St適用于一次局部薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力校核；規(guī)范要求識(shí)別基材和焊縫，由于高溫管道系統(tǒng)連接一般采用焊接（我國(guó)快堆項(xiàng)目高溫管道全部采用焊接連接），對(duì)焊縫區(qū)引入應(yīng)力斷裂系數(shù)（Stress Rupture Factor）計(jì)及焊縫組織在高溫下對(duì)管道系統(tǒng)完整性的影響，需要注意的是這一系數(shù)同基材焊材以及部件設(shè)計(jì)服役時(shí)長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，焊材的選擇屬于材料工程師的工作范疇。對(duì)使用過(guò)程中蠕變引起的累積非彈性變形規(guī)定如下：

（1）管壁的平均應(yīng)變?yōu)?%，焊縫處為0.5%；

（2）當(dāng)量線性化分布，管子外壁最大應(yīng)變?yōu)?%；

（3）管道任何局部應(yīng)變最大為5%；

非彈性變形計(jì)算則按保守性逐漸降低提供三套校核算法：線彈性校核，簡(jiǎn)化非彈性校核和非彈性校核。其中簡(jiǎn)化非彈性校核以Bree 圖（圖7）和等時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線為依據(jù)，非彈性校核需要在材料真實(shí)本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算才能完全，對(duì)于壓力管道這樣處理太過(guò)繁瑣也無(wú)必要。

圖7 Bree 應(yīng)力分區(qū)圖Fig.7 Bree stress diagram

對(duì)安全二三級(jí)高溫管道部件，采用案例分析Code Case N-253 方法不單獨(dú)進(jìn)行變形計(jì)算校核，一次應(yīng)力校核按低溫（蠕變溫度以下）二三級(jí)方法和準(zhǔn)則（ASME III NC），許用應(yīng)力查取按核級(jí)要求，注意同一牌號(hào)核級(jí)和非核級(jí)材料許用應(yīng)力有差別，即使是相同溫度下，對(duì)焊縫的影響同樣采用了折減系數(shù)（Reduction Factor）來(lái)表征，這一系數(shù)只和基材及焊材關(guān)聯(lián)，這反映了規(guī)范對(duì)一級(jí)和二三級(jí)部件要求的區(qū)別。有別于低溫管道（蠕變溫度以下）應(yīng)力校核，對(duì)二次應(yīng)力作校核計(jì)算（計(jì)算公式與B31.3 基本一致）采用的許用應(yīng)力進(jìn)行了專門折減，折減系數(shù)f 由材料種類、工作溫度和部件使用循環(huán)次數(shù)決定，本來(lái)折減系數(shù)f 的確定是在蠕變溫度之下完成的，高溫工況會(huì)帶來(lái)幾個(gè)方面的影響：高溫工況下疲勞壽命明顯降低，并且高溫保持時(shí)間越長(zhǎng)，壽命降低幅度越大；因?yàn)槭芗s束熱應(yīng)力松弛蠕變累積損傷對(duì)疲勞壽命的影響；蠕變工況下結(jié)構(gòu)不連續(xù)處應(yīng)變集中大于彈性分析得出的結(jié)果，管道設(shè)計(jì)不可能全面量化這些因素的影響，N-253 提供了一個(gè)保守的處理方法，就是用專門的折減系數(shù)f，以?shī)W氏體不銹鋼304 為例，在蠕變溫度以下全循環(huán)次數(shù)7 000 次以內(nèi) f=1，而在工作溫度為438 ℃情況下對(duì)應(yīng)于f=1 的循環(huán)次數(shù)是1 000，f 針對(duì)管道系統(tǒng)而非焊縫。值得留意的是，N-253 提供了一個(gè)時(shí)間溫度限制圖線，如果時(shí)間溫度組合在圖線之下，則設(shè)計(jì)中可以不考慮蠕變影響，此判斷準(zhǔn)則已經(jīng)整合到規(guī)范HCB 部分強(qiáng)制執(zhí)行附錄中，由于使用很方便，所以也相當(dāng)保守，在非核行業(yè)中可以推廣使用[8-10]。

作為傳統(tǒng)核電大國(guó)，為適應(yīng)高溫增值堆的發(fā)展，法國(guó)以《壓水堆核電廠機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》（RCC-M）為基礎(chǔ)擴(kuò)展編制了高溫部分RCC-MR，規(guī)范對(duì)應(yīng)力校核與NH 篇處理相似，對(duì)累積變形計(jì)算自成一體，而且對(duì)安全一二三級(jí)部件處理方式相同，相比ASME 更繁瑣，但是適用溫度限制在550 ℃以內(nèi)，有興趣的讀者可以自行研究對(duì)比[11-13]。

4 問(wèn)題與討論

綜上分析可以看出，蠕變溫度范圍內(nèi)工作的管道失效形式自有特點(diǎn)，為防止失效發(fā)生，不同行業(yè)規(guī)范處理各有不同，在石化行業(yè)廣泛采用的B31.3 采用了焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)，但是沒(méi)有和基材焊材以及設(shè)計(jì)服役時(shí)間相關(guān)聯(lián)；核安全一級(jí)部件對(duì)焊縫的許用應(yīng)力確定引入了同基材焊材以及服役時(shí)間相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力斷裂系數(shù)，另外單獨(dú)進(jìn)行非彈性累積變形計(jì)算以確保防止發(fā)生蠕變棘輪和非連續(xù)性塑性變形累積；對(duì)核安全二三級(jí)部件，一次應(yīng)力校核對(duì)焊縫也是采用強(qiáng)度折減系數(shù)，對(duì)二次應(yīng)力許用應(yīng)力范圍也進(jìn)行相應(yīng)折減，但并非針對(duì)焊縫，此折減系數(shù)與材料溫度及循環(huán)次數(shù)相關(guān)聯(lián)；歐標(biāo)EN13480 針對(duì)蠕變工況提供了專門的校核公式，以確保不出現(xiàn)棘輪和塑性累積，從布里圖分析是保守可靠的。

可以看出B31.3 只是在一次應(yīng)力校核中針對(duì)焊縫采用了焊縫強(qiáng)度折減系數(shù)，此系數(shù)實(shí)際來(lái)自核安全一級(jí)部件相關(guān)規(guī)定，可以直接由ASME III DIV.5 對(duì)應(yīng)系數(shù)替代，二次應(yīng)力校核形式與低溫（蠕變溫度以下）工況沒(méi)有區(qū)別，并沒(méi)有針對(duì)性地從設(shè)計(jì)計(jì)算上防止彈性跟隨以及蠕變棘輪造成的非彈性變形累積，由于蠕變失效的特點(diǎn)，這樣處理并不完備，下面簡(jiǎn)要分析一下蠕變溫度范圍的安定性問(wèn)題，按低溫管道計(jì)算方法校核合格的管道應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)仍然可能出現(xiàn)圖8 的情形，顯然這不是設(shè)計(jì)要求達(dá)到的安定性狀態(tài)，從F 到G 會(huì)產(chǎn)生塑性增量，如果應(yīng)力狀態(tài)不能落在Bree 圖（圖7）E 區(qū)，都會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變遞增，所以在管道工程設(shè)計(jì)中從設(shè)計(jì)完備性和可靠性出發(fā)可以對(duì)一次和二次應(yīng)力相加進(jìn)行校核，形式如下：

式中 Kt= （K+1） /2；

Kt——彎曲應(yīng)力修正系數(shù)；

K—— 截面形狀系數(shù)，薄壁管取1.27；管道在蠕變溫度下承受彎矩，由于蠕變引起應(yīng)力在整個(gè)截面再分布，最外層纖維應(yīng)力比彈性分析結(jié)果減小，Kt即是計(jì)及這一特點(diǎn)。

圖8 不滿足安定性條件蠕變工況下應(yīng)變控制循環(huán)示意Fig.8 Cyclic strain control with creep and without shakedown

式（2）可以使管道在蠕變溫度下應(yīng)力組合狀態(tài)處于彈性區(qū)E 內(nèi)，可以有效地防止出現(xiàn)彈性跟隨和由熱棘輪引起的非彈性變形累積。

系統(tǒng)在服務(wù)期內(nèi)將處于安定狀態(tài)，石化項(xiàng)目在管道設(shè)計(jì)階段，管道系統(tǒng)應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整空間一般都很大，這樣就避免了在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題再糾正的較大損失。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)比不同行業(yè)的管道設(shè)計(jì)規(guī)范，基于金屬管道高溫蠕變最本質(zhì)顯著的特點(diǎn)，對(duì)最廣泛采用的ASME B31.3 在蠕變溫范圍的應(yīng)用提出了補(bǔ)充校核建議，使其在理論上更完備，但是對(duì)蠕變疲勞累積損傷校核沒(méi)有進(jìn)一步探討，由于安定性分析對(duì)低周疲勞可以定性的覆蓋，對(duì)于一般非核級(jí)高溫應(yīng)用環(huán)境也沒(méi)必要作定量蠕變疲勞累積損傷計(jì)算，石化行業(yè)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)高溫環(huán)境下構(gòu)件材質(zhì)劣化現(xiàn)象缺少設(shè)計(jì)上的考慮，電力行業(yè)高溫管道蠕變監(jiān)測(cè)的做法值得借鑒，對(duì)重要管道作定期金相分析（覆膜），從而為設(shè)計(jì)系數(shù)的修正提供大數(shù)據(jù)支持。