基于DSF模式的在役承压设备早期损伤识别与评价研究

Structural damage is familiar failure mode for inservice pressure equipments such as reactors, tower vessels, storage tanks, pressure pipings, pressure boilers. In complex environment, the early fatigue damage detection may be quickly extended into large damage. Large potential danger exists in structural safety of pressure equipments. Based on the safety reliability of inservice pressure equipments, we research the basic scientific questions of damage detection and assessment. The main research as: (1)We investigate the structural damage evaluation correlation with the control patterns such as stress, strain, stiffness mode. Based on macroscopic and microscopic constitutive, the early fatigue damage evaluation is defined by using the physical and mechanical parameters. (2)Based on damage sensitive feature (DSF) pattern and continuum damage mechanics theory, a computationally attractive damage index (DI) method is proposed for structural damage detection. The DI model can successfully locate damage and quantify the damage level. The unified damage characteristic model is found from microstructure to macrostructure. (3)It provides an insight to the structural damage correlation with the characteristic parameter in high dimensional feature space. Based on parameter feature extraction, the early damage detection and assessment theory will found for inservice pressure equipments. This result will establish the foundation of safety evaluation and early damage detection for inservice pressure equipments.

结构损伤是在役承压设备（如反应器、塔器、储罐、压力管道、锅炉等）常见失效模式，早期疲劳损伤在复杂环境下很可能快速发展为大损伤,对承压设备结构安全具有很大的潜在危害。面向在役承压设备安全可靠运行的需求，针对其在结构损伤识别与评价中的基础科学问题展开研究。主要内容包括：(1)考察控制模式（应力、应变、刚度等参数）对损伤评定的影响，形成早期疲劳损伤宏细观规律评定的一般方法。（2）引入DSF（Damage Sensitive Feature）损伤敏感特征模式，基于连续损伤力学理论，探索从微观到宏观的统一损伤特征量模型，建立判别损伤位置和损伤程度的DI（Damage Index）损伤因子模型。（3）揭示高维特征空间中损伤表征量之间的交互作用及其对早期损伤的影响规律，建立基于损伤特征提取的在役承压设备早期损伤识别与评价理论。本项目的成果对在役承压设备安全评定、早期损伤识别及准确的工程方法奠定基础。

在役承压设备在复杂环境中容易发生早期结构损伤，这些损伤的积累很可能引发结构灾难性事故的发生。因此，研究在役承压设备的早期损伤识别与评价对安全可靠运行具有重要意义。结构损伤识别与评价中的基础科学问题就是要根据损伤表征量去判别损伤的出现、位置和程度。在役承压设备的早期损伤识别与评价是一个极其复杂过程，涉及到损伤力学、结构健康监测、损伤表征、动态特征提取等多方面的知识，是多学科交叉的复杂问题。.本课题围绕在役高温承压设备的早期损伤识别问题展开研究，主要研究内容及重要结果如下：.(1) 承压设备早期损伤的物理力学模型和表征物理量：以X12CrMoWVNbN合金材料组成的管结构为实验对象，进行循环热变形试验。结果表明：在较高保持时间（短时）循环热变形试验中，材料的断面收缩率约为85%；当试验时间超过500h后，试件断面收缩率随时间增加而逐步下降。测试表明组织已呈现明显再结晶现象，位错密度有所降低，有新的晶粒形成。此外，部分晶粒具有锯齿状晶界特征。析出的碳化物仍未在界面上形成连续的排列，只是一定程度的聚集。.(2) 早期疲劳损伤敏感特征提取：基于非线性ARMAX模型，对模型残差进行ACF（自相关函数）、PACF（偏自相关函数）计算，从而判断模型类别。然后根据在线监测的实时数据，通过迭代递推得到模型有参数，分别以ACF、PACF值作为损伤的判别依据，得到损伤表征物理量与宏观裂纹（0.3～0.5mm）萌生之间的统计相关性。.(3) 早期损伤位置识别与损伤程度评价：以管道结构为例，分析了应变能与结构损伤的关联性，计算了瞬态响应功率谱密度与弯曲响应功率谱密度，并基于最小二乘法的统计参数定义了早期损伤识别因子模型，对试件损伤前、后的损伤因子DI参数进行比较分析，推导出损伤位置、损伤程度与表征参量特征值的函数关系。.本课题的研究结果表明：该方法可以有效对在役管式或壳式高温设备各个部位、不同程度的损伤进行识别与定位。该方法解决了在役高温承压设备早期损伤不确定性的难题，且测量工作量小，具有重要实用价值。本课题负责人参与“东吴机械安全阀热态试验装置”与“华龙一号主蒸汽安全阀”于2016年1月5日通过了由国家能源局、中国机械工业联合会组织的重大成果鉴定会，研究成果将进一步促进核电装备与关键阀门的状态监测与早期故障诊断重点学科快速发展，具有较大理论意义和工程实用价值，将产生一定的经济效益和社会效益。