（化工过程机械专业论文）不锈钢内压直管棘轮变形测试.pdf

摘要 棘轮变形问题给核电站管道的安全设计带来了严峻的挑战，它的危害性己经 引起了国内外学者的广泛重视。利用本实验室自行设计的准三点弯曲试验装置， 分别在横向位移和弯曲载荷控制方式下研究了z 2 c n d l 8 1 2 n 和z 2 c n l 8 1 0 两种 材料内压直管的棘轮变形演化规律。试验结果表明棘轮应变主要产生于内压管道 的环向，而轴向方向棘轮应变较小。研究了内压管道在位移控制和载荷控制下棘 轮变形的演化规律，研究了控制方式对棘轮变形的影响，同时发现大的内压、循 环位移和弯曲载荷会产生较大的棘轮变形，且初始棘轮应变率也较大。通过多步 加载试验，发现加载历史对管道的棘轮变形有很大的影响，以往的加载历史会降 低棘轮应变速率，这种现象在有大载荷加载历史的试样中尤为明显。同时，之前 小载荷的加载历史对管道之后的棘轮变形影响较小，而之前大载荷的加载历史对 管道之后的棘轮变形影响较大。此外，根据试验结果，初步确定了内压管道的棘 轮边界曲线。最后，通过对两种材料内压直管棘轮变形的比较，发现 z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管抗棘轮变形的能力要优于z 2 c n l 8 1 0 内压直管。 关键词： 棘轮变形；循环载荷；循环位移；加载历史；棘轮边界 a b s t r a c t t h er a t c h e t i n ge f f e c tg r e a t l yc h a l l e n g e st h ed e s i g no ft h ec o m p o n e n t s w i t ht h e a s s i s t a n c eo ft h eq u a s i - t h r e ep o i n tb e n d i n ga p p a r a t u s ，r a t c h e t i n ga n dt h er a t c h e t i n g b o u n d a r yo f p r e s s u r i z e ds t r a i g h tz 2 c n d l 8 1 2 na n dz 2 c n i8 1 0s t a i n l e s ss t e e lp i p e s u n d e rb e n d i n gl o a d i n ga n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tc o n t r o lw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r e s s i v ei n e l a s t i cd e f o r m m i o ni na x i a la n dh o o pd i r e c t i o n so f t h ep i p e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h er a t c h e t i n gs t r a i n o c c u r sm a i n l yi nt h eh o o pd i r e c t i o nw h i l et h e r ei sl e s sr a t c h e t i n gs t r a i ni nt h ea x i a l d i r e c t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e n d i n gr a t c h e t i n gb e h a v i o ru n d e rb o t hc o n t r o l m e t h o d sw e r ea c h i e v e da n dc o m p a r e d t h ec y c l i cb e n d i n gl o a d i n ga n dt h ei n t e r n a l p r e s s u r ei n f l u e n c et h er a t c h e t i n gb e h a v i o ro ft h ep r e s s u r i z e ds t r a i g h tp i p es i g n i f i c a n t l y u n d e rl o a d i n gc o n t r o la n dt h er a t c h e t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oh i g h l ya s s o c i a t e dw i t h t h ec y c l i cd i s p l a c e m e n ta n dt h ei n t e r n a lp r e s s u r eu n d e rd i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1 t h e ya l l a f f e c tn o to n l yt h es a t u r a t i o no ft h er a t c h e t i n gs t r a i nb u tt h er a t c h e t i n gs t r a i nr a t e a s e r i e so fm u l t i - s t e pb e n d i n gr a t c h e t i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e du n d e rb o t h c o n t r o lm o d e s i ti sf o u n dt h a tt h eb e n d i n gh i s t o r yi n f l u e n c e st h er a t c h e t i n gs t r a i nr a t e g r e a t l y i na d d i t i o n ，t h er a t c h e t i n gb o u n d a r yi sd e t e r m i n e da n dc o m p a r e db a s e do n k t a a s m e ，r c c - m ra n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t si ti s f o u n dt h a tz 2 c n d l 8 1 2 np i p e sa r eb e a e rt h a nz 2 c n l 8 1 0p i p e so nt h er e s i s t a n c et o t h er a t c h e t i n gd e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：r a t c h e t i n g ，c y c l i cl o a d i n g ，c y c l i cd i s p l a c e m e n t ，l o a d i n gh i s t o r y , r a t c h e t i n gb o u n d a r y 第一章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬综尬 1 1 核电站一回路辅助管道概述 压水堆( p w r ) 的一回路管道是核电站的重要屏障。一回路的大直径主管道 主要负责冷却剂循环流动，从反应堆压力容器带走热量、在蒸汽发生器完成和二 回路水的热量交换后重新流回反应堆压力容器。而一回路的其它管道在核电厂运 行期间主要起辅助作用，并在非正常和事故工况下起缓解作用，这些管道被称之 为一回路辅助管道。虽然这些辅助管道的流量比不及主管道，但对于维持一回路 管道的结构完整以及核电厂的安全和经济运行却至关重要，是一回路管道系统中 不可或缺的组成部分，这些管线的安全等级、r c c m 等级均为一级。设计温度 均为3 4 3 以上，设计压力1 7 2 3 m p a 。目前，我国在一百万千瓦级压水堆核电 站一回路辅助管道主要采用奥氏体不锈钢，其中波动管材料牌号为 z 2 c n d l 8 1 2 n 钢，而其它辅助管道主要采用z 2 c n l 8 1 0 钢。由于受到电厂启停 时的热瞬态、热分层、热冲击、湍流渗入和热循环的影响，在一回路辅助管道中 热载荷效应非常突出，而由于温度的波动引发的热棘轮应变导致加速疲劳损伤也 倍受关注。 1 2 棘轮效应概述 1 2 1 棘轮效应的含义 棘轮效应是指金属材料和结构承受一个一次载荷并叠加循环载荷时所产生 的渐进变形【1 1 。棘轮应变的积累可能导致疲劳寿命的减少 2 - 4 1 ，或超过变形的限制 而使结构不能正常工作。对于某些材料，如不锈钢等出现棘轮安定现象，即在一 定循环次数后，几乎没有棘轮变形累积发生；而对于另外一些材料，如某些中碳 钢则不会发生棘轮安定现象，即棘轮变形则一直随循环次数逐渐增长。由于一次 载荷大小的不同，应变经过一个快速初始棘轮应变累积后，将可能出现安定或渐 进棘轮效应两种情况。 棘轮效应是工程实际中需要考虑的一个重要问题，如化工容器及管道的热棘 轮问题，压力管道及核反应堆结构的防振设计等。建立在核设计规范基础上的压 力容器强度设计均要求棘轮效应分析，如a s m ec o d es e c t i o ni i i 【5 】德国规范 第一章文献综述 k t a l 6 】和法国规范r c c m r 7 1 。 1 2 2 棘轮应变 棘轮应变是载荷控制或位移控制循环加载条件下循环塑性应变的累积。国际 上有三种棘轮应变的定义来反映这种循环塑性应变累积。 ，= ( l + 1 3 r ) 2 ( 1 - 1 ) 式中，和。可表示为： 塑性应变 g r ( l ) = t 。【m i l l ) 一o ：i 。( 。i i i ) e ( 1 - 2 ) 谷值总应变 ，占r f l l = ( 1 3 ) 峰值总应变 e r r l l = 。t 。 ( 1 - 4 ) 式( 1 2 ) 上标t 表示真实应变和真实应力，：l 。和表示一个循环周期中的 最大和最小真应变，6 ：l 。和6 t 曲分别为与折返工程应变。和晌对应的真应力。 则式( 1 1 ) ，( 1 2 ) 的定义表示棘轮应变为某循环下的平均塑性应变量，式( 1 - 1 ) ，( 1 - 3 ) 表明棘轮应变为某循环下的谷值总应变量，以及式( 1 1 ) ，( 1 4 ) 表明棘轮应变为某 循环下的峰值总应变量。 如果材料棘轮循环可以达到或接近饱和状态，则称此刻的棘轮应变为循环饱 和棘轮应变，简称s r 应变( s a t u r a t e dr a t c h e t i n gs t r a i n ) ，记为：。 棘轮应变率反映了棘轮应变随循环次数的变化快慢程度，定义为： ：。= 簧0 - 5 ) r 3 吉 n 州 式中，n 为棘轮循环次数。 1 3 棘轮效应研究 棘轮效应的研究分两个层面【8 1 ，第一个层面是材料棘轮效应的研究，第二个 层面是结构棘轮效应的研究。材料棘轮效应研究的基本方法是，首先对某种材料 制备的标准试件进行单轴及多轴加载试验，确定棘轮应变与载荷大小及加载方式 如各种加载路径、加载速率、加载历史等的关系，同时利用弹塑性理论建立一定 的本构模型，并利用简单材料试验如单轴拉伸试验数据确定模型参数，对试件进 行非弹性应力应变分析，以期尽量准确地描述材料在各种加载方式下的棘轮应 变，最近几年在这方面有了相当大的发展【9 】。而结构棘轮效应的研究则是对真实 第一章文献综述 工程结构在相应的载荷作用下进行的棘轮效应研究，除了用试验的方法进行棘轮 应变测试，研究棘轮应变发生的位置、方向、大小外，还要充分利用不断涌现的 更好的本构模型，对结构进行循环塑性分析，进一步考察全场的塑性应变行为， 并进而指导试验研究。结构棘轮效应研究的目的还在于：确定棘轮效应边界，为 结构设计提供依据，以保证结构工作时处于安定状态：确定结构的棘轮应变，研 究棘轮效应与疲劳的相互作用，避免结构的棘轮疲劳。结构棘轮效应研究与材料 棘轮效应研究一个主要差异在于，材料棘轮效应是建立在标准试件试验基础上的 唯象研究，试件应力分布一般而言是均匀的，而结构棘轮效应研究中，不同结构、 不同部位应力状况差异较大，一般是不均匀的，分析计算通常需要进行弹塑性有 限元分析，以充分考虑弹性区对塑性区的作用与影响。 根据材料或结构所承受应力状态的不同，棘轮效应可分为单轴棘轮效应和多 轴棘轮效应【1 0 ，单轴棘轮效应是指在平均应力方向上产生的循环塑性应变累 积，应力应变滞环的不封闭性是产生单轴棘轮效应的直接原因【1 2 】；多轴棘轮效应 是指材料或结构在承受多轴载荷作用下产生的棘轮效应，随动强化是发生多轴棘 轮效应的主要因素【1 3 】，产生棘轮效应的方向可以是一个方向，也可能是多个方向。 早在6 0 年代中期，b r e e 】就研究了薄壁圆管在内压和循环热载荷下的弹塑 性性能，并且得到用图表示的机械性能随一次载荷和二次载荷的变化图，这一研 究为某些规范所采用，用于防止棘轮变形的设计。由美国电力研究院( e p ) ， 通用电器( g e ) ，和美国核管理委员会( u s n r c ) 资助的管道、附件及动力可靠性 课题，完成了一组棘轮试验，并在1 9 9 5 年版a s m e 锅炉压力容器设计规范第三 篇将反向的动力载荷及棘轮效应引入规范中。然而，要准确预测棘轮应变、防止 棘轮效应仍是一个非常困难的问题。 核级压力容器和压力管道在使用过程中会受到机械载荷、热载荷及地震载荷 的作用。机械载荷主要表现为压力，且多为脉动循环，在这种载荷作用下几乎没 有反向塑性变形，而由于平均应力引起的棘轮效应较小，因此不是主要问题。而 由于热载荷、地震载荷联合机械载荷所造成的拉伸和弯曲，拉伸和扭转以及拉伸、 弯曲和扭转联合作用引起的多轴棘轮效应将是主要问题。同时压力容器与压力管 道由于载荷或结构等因素的影响，往往会出现应力分布不均，造成有别于材料棘 轮效应的结构棘轮效应。因此深入研究材料多轴载荷下的棘轮效应规律并进行有 效的本构描述，进而应用于压力容器与压力管道的结构棘轮效应分析是非常必要 的。 一些学者( s e a v u z z oe ta 1 【15 1 ，i g a r ie ta 1 【1 6 】，k u l k a r n i ae ta 1 1 1 7 , 1 8 ，h a s s a ne t a 1 1 9 】，g u r d a l 2 0 】) 对循环弯曲载荷作用下的内压直管进行了试验研究，弯曲载荷 一般通过四点弯曲1 9 、三点弯曲、准三点弯曲或悬臂弯曲来实现的，而载荷施 第一章文献综述 加方法可以是机械加载、液压加载也可以利用振动台以惯性力的形式加载，试验 发现棘轮应变主要发生在环向。k u l k a m i ae ta 1 【1 8 荆用四点弯曲试验装置研究了 内压直管在循环弯曲载荷作用下的棘轮效应，并利用a n s y s 软件中的c h a b o c h e 模型进行了棘轮应变分析。h a s s a ne ta 1 【1 9 】则将修正的a r m s t r o n g f r e d e r i c 模型 ( a r m s t r o n g f r e d e r i c 强化模型与d r u c k e r - p a l g e n 模型的混合模型) 加入a n s y s 程 序，用有限元法分析了恒定内压直管叠加轴向对称应变循环、恒定轴向拉伸直管 叠加对称剪切应变循环、恒定内压直管叠加弯曲循环时的棘轮应变，并将后者与 试验结果进行了比较，验证了改进循环塑性模型预测结构棘轮效应的可能。姚艳 萍等 2 1 , 2 2 】则利用理想弹塑性模型对轴向拉伸直管叠加循环弯曲进行了非线性分 析得出了载荷分区图。一些学者( c o r o n ae ta 1 【2 3 】，s h a we ta 1 【2 4 1 ，v a z ee ta 1 【2 5 】) 研究了薄壁管道在循环弯曲载荷作用下的失效行为，研究了平均应力、应力幅值 以及加载历史对管道变形行为的影响，为本文管道棘轮试验装置以及试验方法的 确定提供了依据。 弯管也是压力管道的不可缺少的管件之一，目前人们认为弯管的主要失效形 式是棘轮疲劳f 2 6 2 9 1 。通过对弯管的棘轮变形试验发现 3 0 - 3 3 ，在顶线及内缘线的位 置产生较大的棘轮应变，内缘线位置的棘轮应变是由于叠加在不变的正应力上共 轭的应变循环造成的，而顶线位置的棘轮应变是由于叠加在不变的正应力上贯穿 壁厚的循环弯曲应变造成的。以上对于弯管棘轮变形的试验研究，对本文内压直 管研究中试验方案以及分析方法提供了重要参考。 随着研究条件以及研究方法的发展，有限元分析软件a n s y s 和a b a q u s 被引用到管道棘轮变形的分析研究中。c h a b o c h e 【3 4 1 ，c h e n 3 5 1 以及o h n o 3 6 】等人对 棘轮变形的本构模型进行了深入的研究，并基于以上本构模型，利用有限元分析 软件对管道的棘轮变形演化规律进行了研究。对于本文研究的核电站一回路辅助 管道的棘轮变形规律，张琦【3 7 1 、梁婷【3 8 】利用a n s y s 进行了模拟研究，研究了内 压以及循环弯曲载荷对棘轮变形的影响。虽然a n s y s 和a b a q u s 等有限元分 析软件可以较好的预测内压直管的棘轮变形规律，然而这些预测都是基于现有的 本构模型，但目前还没有一个统一的且适用于各种载荷条件以及任意材料的本构 模型 3 9 - 4 3 】，。所以，试验研究能够等到更准确更符合实际的结构，而且能为本构模 型的研究提供依据。虽然分析软件不能准确地预测管道棘轮变形的规律，但为试 验条件的确立提供了重要依据。 陈旭等 4 4 - 4 7 】等对材料的棘轮变形进行了深入的研究，研究了平均应力，应力 幅值对棘轮变形的影响。其试验方法研究方式对于本文管道的棘轮变形测试有着 重要的借鉴意义。康国政等【4 弘5 1 】对钢材等循环软化材料的棘轮行为进行了试验研 究，结果表明：该类材料的棘轮行为具有明显的三阶段特征，即初始的棘轮应变 4 第一章文献综述 率衰减阶段、中段的常棘轮应变率阶段和后期的加速棘轮应变率阶段，并且材料 会很快因为过大的棘轮应变而过早失效。范志超、蒋家羚 5 2 , 5 3 1 研究了温度对 1 6 m n r 钢应力疲劳的影响，研究发现1 6 m n r 钢3 0 0 左右在d s a 强化作用下出 现了蓝脆现象，有效遏制了循环软化和循环蠕变，使材料循环强度得到较大提高， 循环蠕变对疲劳损伤起着加速的作用。现有的关于钢材的材料棘轮试验结果 5 4 - 5 - 0 ，为本文不锈钢内压直管试验条件的确定提供了依据。 本实验室已经对本文研究的核电站一回路辅助管道己进行了一些材料试验 1 5 8 - 6 1 ，得到了试验材料的一些基本力学性能，初步研究了试验材料的棘轮变形的 演化规律，为本文内压直管的棘轮变形试验试验条件的确定奠定了良好的理论基 础。 分析现有文献可以发现，仅靠基于b r e e 载荷分区图得到的棘轮边界不能囊 括所有棘轮效应问题，有必要对复杂结构与部件进行详尽的循环塑性分析，以确 定适宜的棘轮边界。由于核级管道大多在高温高压的工况下工作，所以建立温度 载荷的棘轮边界曲线尤为重要。目前虽然提出一些试验或分析计算的方法用以确 定棘轮边界，但其适用性还有待进一步验证。以往的分析计算大多基于较简单或 较早的强化模型，有必要考察现有模型并发展更好的模型，以提高其对结构棘轮 效应预测的准确性。 1 4 管道棘轮变形研究中的不足 1 1 尽管对不同材料类型室温棘轮试验的研究己经比较丰富，但是仍缺乏对 z 2 c n d l8 1 2 n 和z 2 c n l 8 1 0 奥氏体不锈钢管道棘轮安定和棘轮演化规律的 研究； 2 1 现有的棘轮研究工作中，大多数是考虑平均应力、应力幅值以及加载历史的 影响，而位移对棘轮变形影响的研究相对较少： 3 ) 对于压水堆一回路辅助管道的棘轮效应试验研究，目前还没有报导。 4 1 对于位移控制下管道的棘轮演化规律，目前还少有人研究。 1 5 本文工作及意义 1 5 1 研究工作 本文主要对核电站一回路辅助管道z 2 c n d l 8 1 2 n 和z 2 c n l 8 1 0 内压直管分 别进行载荷控制和位移控制的棘轮变形的试验研究： 第一章文献综述 1 ) 对两种材料内压直管分别进行弯曲载荷控制和位移控制的棘轮变形试验，研 究不同控制方式下两种材料的棘轮变形演化规律； 2 ) 在不同内压和不同载荷位移下进行棘轮变形试验，研究内压以及弯曲载荷和 位移对内压直管棘轮变形的影响。 3 ) 通过试验，比较两种材料直管在不同加载条件下棘轮演化规律的差异。 4 ) 分析试验数据，确定管道的棘轮边界曲线，为模型分析以及规范修订建立依 据。 1 5 2 研究意义 目前，我国在一百万千瓦级压水堆核电站一回路辅助管道主要采用奥氏体不 锈钢，其中波动管材料牌号为z 2 c n d l 8 1 2 n 钢，而其它辅助管道主要采用 z 2 c n l 8 1 0 钢。由于受到电厂启停时的热瞬态、热分层、热冲击、湍流渗入和热 循环的影响，在一回路辅助管道中热载荷效应非常突出，而由于温度的波动引发 的热棘轮应变导致加速疲劳损伤也倍受关注。而国内外对此并没有成熟的设计标 准。 通过对z 2 c n d l 8 1 2 n 和z 2 c n l 8 1 0 内压管道的研究，分析其棘轮演化规律， 提出合理的计算方法确定棘轮边界，同时分析两种材料不锈钢内压管道棘轮演化 特性的不同，为管结构设计提供依据。并且，这些研究成果可以推广用于核电站 其它承压管系，研究成果对承压设备( 如压力容器和管道) 结构的设计及规范的 制定具有重要意义，并且对存在棘轮变形的其它工程结构设计均有指导意义。 第二章试样与试验方法 第二章试样与试验方法 本章将介绍本研究的试验材料、试验设备，以及载荷控制和位移控制的试验 方法。 2 1 试验材料及设备 本试验的试样材料为z 2 c n d l 8 1 2 n 和z 2 c n l 8 1 0 ，试样均为长1 2 0 c m 、外 径为7 6 m m 、壁厚为4 5 m m 的直管，两端焊接管堵，x 射线探伤合格后，进行 去应力退火处理。本研究利用l e t r y 电液伺服疲劳试验机配以适当的辅助机构来 实现内压管件的循环弯曲，进行棘轮试验，如图2 1 所示。 图2 1 直管内压弯曲棘轮变形试验加力架 直管准三点弯曲试验装置及应变布点见图2 - 2 。直管通过夹板、销轴等简支 在刚度足够大的下加载横梁上，上加载横梁刚度亦足够大，并通过夹板、销轴与 直管相连，上下加载横梁的加载杆及加载块装卡在试验机的上下夹头内，通过多 轴疲劳试验机的循环拉压实现对直管的循环弯曲，内压则通过液压泵站的另一套 油路提供。 第二章试样与试验方法 下加栽横鬃 l o w e ri o a d i n gb e 勰 如载块 l o a d i n gb l o c k 图2 2 试验装置简图及应变片位置 为了测量内压直管循环弯曲时的棘轮应变，在直管沿轴线的不同位置上粘贴 应变片，由于内压直管循环弯曲主应力方向已知，为环向与轴向，故粘贴双向直 角应变片，布片方案见图2 2 。应变片的应变信号由2 0 通道动态应变仪处理， 并通过主控计算机实现载荷的控制及直管各处应变的实时同步采集。 2 2 试验方案 为了研究内压直管的棘轮变形演化规律，对内压直管在不同控制模式下进行 了棘轮变形测试，研究了内压、载荷、横向位移以及控制模式对内压管道棘轮变 形的影响。同时，进行了多步加载试验，研究了载荷历史对棘轮变形的影响。具 体试验方案如表2 1 一表2 4 。 第二章试样与试验方法 1 2 n s i 也 1 2 n s i b 1 2 n s r 4 2 0 2 0 1 7 5 2 0 2 3 1 7 5 2 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 2 0 2 0 2 0 2 0 3 5 3 5 1 5 0 3 5 3 5 3 5 3 5 1 5 0 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 2 2 0 3 5 3 5 3 5 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 1 2 n s r 5 11 7 5 2 5 5 0 03 0 1 2 n s r 6 1 2 n s r 7 1 2 n s r 8 1 2 n s r 9 2 0 2 0 2 0 2 0 1 7 5 2 0 2 0 2 3 2 6 5 0 5 0 3 0 5 0 0 2 0 5 0 5 0 0 3 0 0 1 5 ； ； 三三二蛰王三q 一 _ _ _ _ _ _ l _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ i _ _ _ - - _ _ _ l - l _ _ _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - l 。一 9 6 6 6 6 6 6 5 6 7 5 7 6 5 6 7 2 3 1 2 3 4 5 l 2 3 4 5 6 l 2 3 4 如 如 如 如 如 如 如 如 如 弱 如 如 强 弱 如 弱 2 3 4 l 2 3 l l l 第二章试样与试验方法 1 0 n s r i12 0 51 5 0 3 0 1 0 n s r 2 1 0 n s r 3 l o n s l 2 0 2 0 2 0 2 0 1 7 5 2 0 2 3 1 7 5 2 3 2 0 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 2 0 2 0 2 0 2 0 3 5 3 5 3 5 3 5 1 5 0 3 5 l o 3 5 l o 3 5 1 5 0 3 5 3 5 3 5 1 5 1 5 0 3 5 3 5 2 5 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 3 0 _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 1 0 6 ：2 5 ” 6 6 6 6 6 6 5 6 7 5 7 6 5 6 能 2 3 4 5 l 2 3 4 5 6 l 2 3 4 5 1 2 3 4 第二章试样与试验方法 1 0 n s r 5 1 0 n s r 6 1 0 n s r 7 l o n s r 8 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 1 7 5 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 1 7 5 2 0 2 3 1 7 5 2 5 3 0 3 3 2 5 3 3 3 6 3 0 2 5 3 0 3 5 3 0 3 5 2 5 3 0 3 5 2 5 3 5 3 0 3 0 3 0 3 0 5 ：2 3 3 0 6 兰q q兰 3 q 一 一 两种控制方式下，加载波形均为三角波，对称循环，循环周期为3 0 s 。本 试验中定义棘轮应变为： 1 ，= ( 。+ 。i n ) 一o ( 2 - 1 ) z 式中，m 毅、m i n 分别为一次循环中的最大、最小应变，o 为初始弹性应变 ( 只有压力载荷作用时) ，由于初始弹性应变很小，而且对于载荷控制循环，在 以后的各次循环中弹性应变并不累积，计算时通常予以忽略。 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 如 渤 弱 於 弱 弱 加 m 弘 弱 m 弱 m 啪 弱 弱 加 弘 啪 弘 加 於 加 l 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 l 2 3 4 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 本章通过试验研究了z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管在横向位移控制和弯曲载荷控 制下的棘轮演化规律。 3 1 位移控制下棘轮演化规律 3 1 1 直管在恒定内压循环横向位移作用下的棘轮行为 首先，以试样1 2 n s r 3 的第一步为例来说明横向位移控制下，内压直管的棘 轮变形演化规律。其恒定内压为1 7 5 m p a ，横向位移为5 m m ，循环圈数为1 5 0 。 位移控制曲线如图3 1 ，试验结果如图3 - 2 。 ，、 e e i c e o 旦 丝 o t i m e ( s ) 图3 1 位移控制曲线 第三章z 2 c n d1 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 0 4 0 3 02 邑 三01 里 竺00 里 爱一0 1 02 器 三 三 a o o 工 03 06 09 01 2 01 5 0 n u m b e ro fc y c l e s ( a ) 00 0 一o0 5 a x i a ls t r a i n ( ) ( c ) 器 三 雹 石 旨 o 工 n u m b e ro fc y d e s ( b ) n u m b e ro fc y c l e s ( d ) o3 06 09 012 015 0 numb ero fc y c l es 1 3 ( e ) 一暴一eejls口兰1ac。l叱 们 弱 巧 加 佰 佃 0 o o o o o o o 一零一c一_j_c；o l 1 0 _ 叱 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 ，- 、 z y 、- 一 o c 口 o j t i m e ( s ) ( f ) 图3 2 试样1 2 n s r 3 第一步试验结果：( a ) 位置6 处轴向应变与循环数关系；( b ) 位置6 处环向应变与循环数关系；( c ) 位置6 处轴向和环向应变关系；( d ) 位置6 处轴向和环向棘 轮应变与循环数关系；( e ) 位置6 - 9 处棘轮应变与循环数关系；( f ) 弯曲载荷随时间变化关 系 从图3 2 可以看出，在恒定内压循环位移作用下，内压直管各个位置均产生 了一定的棘轮变形，且管道的棘轮应变率在循环的初期随循环次数的增加而迅速 下降，即在循环的前几周棘轮应变的变化较快，随着循环数的增加，棘轮应变率 逐渐趋于稳定，棘轮变形的增长则越来越缓慢，并最终达到饱和。由图3 - 2 ( a ) ， ( b ) 和( c ) 中各个位置的环向棘轮应变和轴向棘轮应变的比较可以发现，环向棘轮 应变更明显且变化较大，说明内压弯管应变累积主要在环向。这主要是由于环向 的平均应力要大于轴向的平均应力：轴向应力主要由循环弯曲及恒定内压产生， 而环向应力则主要来自于恒定内压，同时位移为对称循环，虽然轴向的峰值应力 大于环向并使轴向应变幅值也大于环向，但是由内压产生的环向应力比轴向应力 大一倍，即环向的平均应力大约比轴向的平均应力大一倍，所以环向的棘轮应变 更明显，塑性变形的累积主要发生在环向。由图3 - 2 ( 0 可以看出，在横向位移控 制下，在第一个循环中的最大弯曲载荷明显小于后面每个循环中的最大弯曲载 荷，在后面的循环中其弯曲载荷均保持在4 - 3 0 k n 左右。说明了在第一个循环中 管道发生了一定的强化。 通过图3 2 ( e ) 管道各个位置处的棘轮变形的比较可以发现，不同位置处的 棘轮演化规律有很大的不同。在相同循环数下，直管中间位置处的环向棘轮应变 及环向棘轮应变速率均大于两端，且离中心越远，其环向棘轮应变及应变速率越 1 4 第三章z 2 c n d l 8 。1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 小。这主要是由于管道内压载荷在各个位置上产生的应力相同，但是中段位置处 的横向位移最大，所以导致峰值应力在此处最大，所以直管中间位置棘轮行为最 为明显。从图3 2 ( e ) 还可以看出，位置6 处的环向棘轮应变在1 5 0 个循环内未 达到安定，而其他位置处的环向棘轮应变在5 0 个循环后均已趋于安定。 3 1 2 不同内压相同循环横向位移时的棘轮效应 图3 3 为试样1 2 n s r l 和1 2 n s r 3 各个位置处环向棘轮变形的比较。恒定内 压分别为2 0 m p a 和1 7 5 m p a ，循环横向位移均为+ 5 m m 。 ，_ 、 零 堇 叠 罂 焉 专 瓮 比 0 6 0 5 0 o 一2 0 m p ap o s i t i o n 6 十2 0 m p ap o 毫, i t i o n 7 r ? 一 心0 m p ap o s i t i o n 8 - 1 1 - 2 0 m p ap o s i t i o n 9 俨17 5 m p ap o s i t i o n 6 c _ 1z 5 m p ap o s i l i o n 7 斗一1 5 m p ap o t i o n 8 声 - o - 1 了5 m p ap o s i t i o n 9 0 3 06 0 9 01 2 01 5 0 n u m b e ro fc y d e s 图3 - 3 不同内压相同循环横向位移下棘轮应变 从图中可以看出，两种加载条件下内压直管环向均产生了明显的棘轮变形， 通过比较可以发现，相同循环横向位移下，大内压直管( 1 2 n s r l ) 的各个位置 处的环向棘轮应变均大于小内压直管( 1 2 n s r 3 ) 相同位置处的棘轮应变，且其 初始棘轮应变率也较大，棘轮应变率的变化也较大。这主要是因为应力幅值( 横 向位移) 相同的情况下，较大的平均应力( 内压) 会产生较大的棘轮应变及较大 的棘轮应变率。可见横向位移的变化，对管道的棘轮变形有很大的影响。 3 1 3 相同内压不同循环横向位移时的棘轮效应 图3 - 4 为试样1 2 n s r 2 和1 2 n s r 3 各个位置处环向棘轮变形的比较。循环横 向位移分别为6 m m 和5 m m ，恒定内压均为1 7 5 m p a 。 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 0 4 0 2 03 06 09 01 2 0 5 0 n u m b e ro fc y c l e s 图3 4 相同内压不同循环位移下棘轮应变 从图中可以看出，两种加载条件下内压直管环向均产生了明显的棘轮变形， 通过比较可以发现，相同恒定内压下，大位移直管( 1 2 n s r 2 ) 的各个位置处的 环向棘轮应变均大于小位移直管( 1 2 n s r 3 ) 相同位置处的棘轮应变，其初始棘 轮应变率也较大，且棘轮应变率的变化也较大。这主要是因为平均应力( 内压) 一定的情况下，较大的应力幅值( 横向位移) 会产生较大的棘轮应变及较大的棘 轮应变率。可见横向位移的变化，对管道的棘轮变形有很大的影响。 3 1 4 弯曲加载历史对棘轮变形的影响 3 1 4 1 横向位移加载历史对棘轮变形的影响 为了研究横向位移加载历史对棘轮变形的影响，对同一试样在恒定内压不变 的情况下，进行变循环横向位移的棘轮变形试验。图3 5 为试样1 2 n s r 3 位置6 - 9 处在各个加载步下的环向棘轮应变与循环数的关系。其加载步骤为：内压恒定 1 7 5 m p a ，最大轴向位移为5 m m ( 1 5 0 c ) 一6 m m ( 3 5 c ) 一7 m m ( 3 5 c ) 一_ _ _ 5 m m ( 3 5 c ) - - _ _ 7 m m ( 3 5 c ) - - 7 5 m m ( 3 5 c ) 。图3 - 6 为位置6 处各个加载 步下轴向和环向应变与循环数的关系。 1 6 一摹一亡一再-i_ac；olj譬mz 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 ，、 零 、_ 一 兰 三 ，) d ) c d ) 2 弼 叱 12 0 8 摹 暑o 4 弼 l 0 0 n u m b e ro fc y c l e s 图3 5 横向位移加载历史对棘轮变形的影响 05 01o o15 02 0 02 5 03 0 0 n u m b e ro fc y c l e s 图3 - 6 位置6 处应变随循环数的关系 从图3 5 中可以看出，试样1 2 n s r 3 各个位置在各个加载步下环向均产生了 明显的棘轮应变。由步骤一，随着横向位移的逐渐增大，内压直管各个位置 处的棘轮变形也逐渐增大，且初始棘轮应变率及应变率的变化速率也增大。由图 3 - 6 内压直管危险点位置6 处轴向和环向的应变关系图中可以看出，随着横向位 移的增大，管道轴向和环向棘轮应变的应变幅值也会逐渐增大。由步骤一， 当横向位移再次降到5 m m 时，可以发现各个位置处的棘轮应变几乎没有增长。 由图3 - 6 可以发现步骤中位置6 处轴向和环向应变的应变幅值要分别小于前三 步中轴向和环向应变的应变幅值。由此可见之前大位移的加载历史对后面较小位 移的加载历史有很大的影响。再由步骤一，横向位移再次增加到4 - 7 m m 时， 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 管道各个位置处的棘轮应变又开始继续增长，但其增长速率会稍小于步骤中相 同加载条件下的棘轮应变的增长速率，且位置6 处棘轮应变的应变幅值也稍小于 第步中位置6 处棘轮应变的应变幅值。当横向位移继续增大到7 5 m m 后，可 以发现内压直管各个位置处又继续产生更大的棘轮变形，且其棘轮应变的应变幅 值也会继续增大。由此可见，之前小位移的加载历史对于之后较大位移的加载历 史的影响很小。以上现象主要是由于，之前大弯曲历史提高了材料的屈服强度， 而之前较小弯曲历史对屈服强度的影响较小。 图3 7 为相同循环数有横向位移变化的加载历史和无加载历史的管道位置6 处棘轮应变与循环数的关系。1 2 n s r l 的加载条件为：恒定内压2 0 m p a ，最大横 向位移5 m m ( 1 5 0 c ) 一5 5 m m ( 3 5 c ) 一- i - 6 m m ( 3 5 c ) 。1 2 n s r 4 的加 载条件为内压2 0 m p a ，最大横向位移6 m m ，循环2 2 0 圈。 0 n u m b e ro fc y c l e s 图3 7 有加载历史和无加载历史的管道位置6 处棘轮应变的比较 从图3 7 中可以看出，由于之前有小的横向位移控制的加载历史，使得2 2 0 个循环之后1 2 n s r l 位置6 处的棘轮应变小于1 2 n s r 4 位置6 处的棘轮应变。同 时可以发现由于之前有小的位移加载历史，试件1 2 n s r l 步骤中位置6 处的棘 轮应变与没有加载历史的1 2 n s r 4 位置6 处的棘轮应变累积规律有所不同，其初 始棘轮应变率较小且棘轮应变率的变化也较慢。 为了更好的比较横向位移的加载历史对内压直管棘轮变形的影响，将有横向 位移加载历史的管道在相同加载条件下与没有加载历史的管道进行比较。内压均 为2 0 m p a ，试样1 2 n s r l 的加载历史为：横向位移- i - 5 m m ( 1 5 0 c ) 一5 5 m m ( 3 5 c ) 一_ 6 m m ( 3 5 c ) ；1 2 n s r 4 的加载历史为：横向位移6 m m ( 2 2 0 c ) 一零一亡一叮-l_c；co_母叱 第三章z 2 c n d l 8 1 2 n 内压直管棘轮变形试验结果与讨论 一+ 5 m m ( 3 5 c ) 一+ 6 m m ( 3 5 c ) 一- i - 7 m m ( 3 5 c ) 一- i - 6 m m ( 3 5 c ) 。 图3 8 为管道位置6 处棘轮应变与循环数的关系。 051 01 52 02 53 03 5 n u m b e ro fc y c l e s 图3 8 横向位移加载历史对棘轮应变的影响 由图3 8 可以看出，横向位移的加载历史对管道棘轮变形的有很大的影响， 尤其对环向棘轮应变的影响。通过比较可以发现，有加载历史管道的初始棘轮应 变率较小，且棘轮应变率的变化也比没有加载历史的小。比较试样1 2 n s r 4 第一 步与第三步和第五步可以发现之前大位移或相等位移的加载历史对管道后面的 棘轮变形有很大影响。不仅使其棘轮变形迅速达到饱和，而且由于预应变的存在， 使后面位置6 的棘轮应变也比没有加载历史的试样位置6 处的棘轮应变要大。由 1 2 n s r 4 第一步与1 2 n s r l 第三步环向棘轮应变的比较可以看出，之前小位移的 加载历史对管道的棘轮应变率也有一定的影响，有小位移加载历史试样的初始棘 轮应变率要小于没有加载历史试样的初始棘轮应变率，但其影响要小于之前有大 位移加载历史对于棘轮变形的影响：同时，可以看出在2 2 个循环之后，二者棘 轮应变几乎达到同一