管線(xiàn)鋼管的止裂預(yù)測(cè)

孫 宏，宗秋麗，劉振偉，唐瑤瑤 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

管線(xiàn)鋼管的止裂預(yù)測(cè)

孫 宏，宗秋麗，劉振偉，唐瑤瑤 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

針對(duì)過(guò)去十年中管道韌性斷裂的止裂預(yù)測(cè)與全尺寸試驗(yàn)結(jié)果不相符，致使標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)工具對(duì)現(xiàn)代管道設(shè)計(jì)的適用性出現(xiàn)的問(wèn)題。SZMF公司開(kāi)發(fā)出了新的止裂預(yù)測(cè)方法。基于能量的判斷應(yīng)考慮到材料韌性的止裂壓力預(yù)測(cè)。在有限元模型的數(shù)值方法中，代表材料抗力的基于能量的內(nèi)聚區(qū)模型包含了材料損失，材料的力學(xué)性能特征值根據(jù)預(yù)制疲勞裂紋試樣的落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）來(lái)確定。

焊管；管線(xiàn)鋼管；止裂；落錘撕裂試驗(yàn)；預(yù)測(cè)

0 前 言

隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，管線(xiàn)鋼的強(qiáng)度和韌性不斷提高，建立了35年之久的長(zhǎng)程韌性斷裂止裂方法已不能滿(mǎn)足管道系統(tǒng)新鋼種的要求。夏比沖擊功已經(jīng)作為材料的韌性和止裂預(yù)測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。過(guò)去的幾年中，全球的研究人員都在研究更好地評(píng)價(jià)材料韌性的試驗(yàn)方法。落錘撕裂試驗(yàn)(DWTT)，通過(guò)斷口表面形貌來(lái)評(píng)定轉(zhuǎn)變溫度，成為了研究的焦點(diǎn)。最近研究主要是試樣修正和影響啟裂的缺口加工工藝，試驗(yàn)結(jié)果為擴(kuò)展速度和韌性參數(shù)。裂紋尖端張開(kāi)角通過(guò)高速攝影機(jī)對(duì)破壞時(shí)的試樣進(jìn)行觀(guān)察測(cè)得。遵循標(biāo)準(zhǔn)的斷裂力學(xué)方法，SZMF公司進(jìn)行的研究工作致力于依據(jù)動(dòng)態(tài)止裂曲線(xiàn)Jd-Δa在代表韌性失效行為的落錘撕裂試驗(yàn)中得出能量參數(shù)。

1 通過(guò)J積分獲得韌性

在斷裂力學(xué)中，J積分是一個(gè)被廣泛接受的參數(shù)。它是一個(gè)衡量材料抵抗裂紋擴(kuò)展或與局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力有關(guān)的裂紋尖端載荷。確定材料特征值的試驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ISO 12135，BS 7448-1和ASTM E1820。后者提供了一個(gè)最新的對(duì)J值進(jìn)行修正的確定止裂曲線(xiàn)的程序。試驗(yàn)所選的試樣類(lèi)型與落錘撕裂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸接近，主要差異是預(yù)制疲勞裂紋的初始裂紋深度a0與試樣高度W的比值為0.3。選擇這個(gè)值有兩個(gè)原因：①與常規(guī)落錘撕裂試驗(yàn)相比，由于連接處更窄，試樣的載荷條件更傾向于彎曲；②通過(guò)有限元模擬的數(shù)值研究表明，在相關(guān)的裂紋尖端載荷下，含有貫穿整個(gè)壁厚的縱向缺陷的鋼管在內(nèi)壓下a0/W=0.3時(shí)的約束在該范圍內(nèi)。

為了從三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中獲得J積分，要記錄裂紋張開(kāi)位移（CMOD）或載荷線(xiàn)位移vLL。在SZMF程序中，vLL是以間接方式測(cè)量的。在試驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)記錄錘頭的位置，用以表示試樣的撓度，根據(jù)撓度和時(shí)間的關(guān)系可以推導(dǎo)出錘頭的速度v，結(jié)合記錄的錘頭載荷，就可以繪出載荷F和速度v對(duì)位移vLL的曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 低能量時(shí)公稱(chēng)載荷和錘頭速度與位移的關(guān)系

2 止裂曲線(xiàn)推導(dǎo)

通過(guò)不同能量值的預(yù)制疲勞裂紋落錘撕裂試樣，可以得到不同的裂紋擴(kuò)展水平。博梅和施密特也應(yīng)用了一個(gè)類(lèi)似的程序來(lái)確定動(dòng)態(tài)J-R曲線(xiàn)。試驗(yàn)后通過(guò)熱染標(biāo)識(shí)韌性斷裂區(qū)域，最終顯示斷裂的區(qū)域?yàn)榻饫頂嗔选５湫偷臄嗔驯砻嫘蚊踩鐖D2所示。

圖2 不同能量水平的斷口表面形貌

根據(jù)一系列試樣，確定了韌性斷裂擴(kuò)展Δa值和對(duì)應(yīng)的J積分值。標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)止裂曲線(xiàn)如圖3所示。除了來(lái)源于基本方法和相應(yīng)的勢(shì)擬合得到的J值結(jié)果，還給出了為斷裂擴(kuò)展修正的J值的勢(shì)擬合。對(duì)于更大數(shù)量的Δa，基本程序和新增程序之間的差異變得越來(lái)越重要。基本程序會(huì)導(dǎo)致非常高的韌性值。由于這里省略了斷裂擴(kuò)展對(duì)試樣破壞的影響，通過(guò)基本程序得到的韌性值必須謹(jǐn)慎，尤其是對(duì)于J-Δa曲線(xiàn)的上部，材料的斷裂擴(kuò)展抗力顯然被高估了。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)止裂曲線(xiàn)

3 小尺寸數(shù)值試驗(yàn)方法

為了將DWTT加入到試驗(yàn)方法中，設(shè)計(jì)了一個(gè)有限元模型，將韌性斷裂擴(kuò)展的材料損失加入到了內(nèi)聚區(qū)模型（CZM）。內(nèi)聚區(qū)模型是損傷力學(xué)中適用于各種損傷模型的現(xiàn)象學(xué)方法，它是由材料特性值定義的，并通過(guò)小尺寸試驗(yàn)方法確定，與其他損傷力學(xué)模型相比，這是一個(gè)校準(zhǔn)成本不高且較為容易的方法。

模型中管道的破壞行為是通過(guò)材料特性值定義的。兩個(gè)特定參數(shù)必須量化，即分離強(qiáng)度T0和內(nèi)聚能Γ0，這是在小尺寸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成的。將第一次試驗(yàn)的有限元模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的DWTT數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，F(xiàn)-vLL曲線(xiàn)的形狀基本一致，有限元模型的總體載荷水平較低。位移vLL在0.15～0.5之間的錘頭減速較好，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，有限元模型中的錘頭速度升高且試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差也較大。第二次試驗(yàn)時(shí)的有限元模型將考慮到應(yīng)變速率的影響，加入應(yīng)變速率也涉及到了T0和Γ0的再校準(zhǔn)，這樣曲線(xiàn)的一致性有望得到提高。

圖4 有限元模擬結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

4 應(yīng)變速率敏感性的影響

為了涵蓋高應(yīng)變速率的影響，進(jìn)行了一系列高速率拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，高應(yīng)變速率下得到的特征值主要是公認(rèn)的更高的強(qiáng)度。就數(shù)值模型而言，這可以由流變曲線(xiàn)的上移得到。在考珀和西蒙茲推導(dǎo)方法的基礎(chǔ)上確定了強(qiáng)度的增加值。由5種速率水平確定的常規(guī)屈服強(qiáng)度如圖5所示，藍(lán)色曲線(xiàn)為應(yīng)用考珀—西蒙茲公式的結(jié)果。

圖5 常規(guī)屈服強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系

5 結(jié) 語(yǔ)

闡述了管線(xiàn)鋼管止裂預(yù)測(cè)的兩種補(bǔ)充思路，用分析的方法從動(dòng)態(tài)止裂曲線(xiàn)Jd-Δa推導(dǎo)出韌性特征值，其代表材料的斷裂擴(kuò)展抗力R（J）。這種材料抗力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力S(D,t,p,σ)相平衡，該應(yīng)力由特定的鋼管尺寸、壓力和材料強(qiáng)度決定。對(duì)于極限狀態(tài)設(shè)計(jì)， 止裂壓力可以由 S(D,t,p,σ)≤R（J）來(lái)預(yù)測(cè)。

在鋼管構(gòu)件的有限元模型中，CZM方法完全涵蓋了有關(guān)材料損失的斷裂擴(kuò)展，因此，材料的斷裂擴(kuò)展抗力R很好地得到明確。斷裂擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)壓力p，其在縱向（特別是與裂紋尖端相對(duì)方向）和周向的局部分布必須確定。此外，還必須與整體管道的變形相適應(yīng)，因?yàn)閿嗔褦U(kuò)展和減壓是持續(xù)進(jìn)行的，所以這是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程，是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。

譯自：ALEXANDER VOLLING，MARION ERDELEN PEPPLER，CHRISTOPH KALWA.Predicting Crack Arrest in Line Pipes[C]//Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference.Greece:Rhodes,2012：17-22.

Predicting Crack Arrest in Line Pipes

Translated and Edited by SUN Hong,ZONG Qiuli,LIU Zhenwei,TANG Yaoyao
(North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei,China）

As predicted ductile fracture arrest in line pipes more and more failed to match with the outcome of full-scale tests within the last decade,the applicability of standard prediction tools to modern pipeline design is put into question.To overcome this shortcoming,research at SZMF is focused on deriving a novel approach to crack-arrest prediction.Two independent routes are being followed.An analytical,energy based criteria shall allow for arrest pressure predictions involving a material toughness value.In a numerical approach by FEM,material damage is covered by an energy based cohesive zone model representing material resistance.The characteristic mechanical material quantities are determined by DWT testing involving pre-fatigued specimens.

welded pipe;line pipes;crack arrest;DWTT;prediction

TG111.91

B

1001－3938（2015）04-0070-03

孫宏（1974—），男，高級(jí)工程師，工程碩士，從事石油輸送鋼管材料與試驗(yàn)技術(shù)工作。

2014-10-09

李 超