（安全技术及工程专业论文）光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析.pdf

光滑弯箭沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 e l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rp i p i n ge l b o ww i t ha x i a l i n s i d es u r f a c ec r a c k s a b s t r a c t i t i sat r e n df o rt h ep i p e sb e i n gu s e dt om a k es a f e t ye s t i m a t i o ni na p p l i c a t i o no ff r a c t u r e m e c h a n i c s ，a n dt h i sm e t h o dh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s i n c et h e1 9 7 0 st h ef r a c t u r e m e c h a n i c st h e o r i e sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sh a v eb e e nw i d e l yd e v e l o p e d h o w e v e r ，i ti s v e r ys c a r c eo ft h ef r a c t u r ep a r a m e t e r st om a k es a f ee s t i m a t i o nf o rs o m es t r u c t u r e sw i t hc r a c k i ne n g i n e e r i n g b a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s ，a d o p t i n gt h et e c h n i q u eo ft h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ，t h es t u d i e sg i v et h ef r a c t u r ep a r a m e t e r so fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk ia n di n k ni ne l a s t i c i t ya n dj - i n t e g r a li ne l a s t i c i t y p l a s t i c i t yf o rt h ep i p i n ge l b o ww i t ha x i a li n s i d e s u r f a c e ，t h e nc o n v e r tt ot h es h a p ef a c t o rfa n df u l l p a s t i c i t yc o e f f i c i e n t sh t ，m o r e o v e r ，r e s o l v e t h ec a l c u l a t i o nq u e s t i o no ft h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o rk ia n dk i i ，a p p e n dt h ed a t a b a s eo f f u l l - p l a s t i cs o l u t i o n t h ef o l l o w i n gc o n t e n t sa r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r ： 1 t h eu s i n gs t a t u so ft h ei n s e r v i c ep r e s s u r ep i p e l i n e si nc h i n ai sg i v e nb r i e f l ya n ds o m e u n i v e r s a ls a f e t ya s s e s s m e n tm e t h o d so fp r e s s u r ep i p e l i n e sw i t hd e f e c t sa r el i s t e di nt h ep a p e r ； a n dt h en e wm e t h o do ff r a c t u r em e c h a n i ci nt h es t r u c t u r ew i t hc r a c k si ss t u d i e d ，w h i c hi st h e f o u n d a t i o no ft h ep i p i n ge l b o wp r o b l e ms t a r t i n g 2 t h em e t h o do fb u i l d i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r em o d e lw i t hc r a c k si ss t u d i e d c o m p a r i s o n sh a v eb e e nm a d ew i t ht h er e s u l t so ft h ee x a m p l e sw i t he p r l t h er e s u l t ss h o w t h a tt h em o d e lm e t h o di sa c c u r a c y t h e nt h em a c r op r o g r a m si n c l u d i n gp h y s i c a lm o d e l ，l o a d a n ds o l u t i o nh a v eb e e nm a d eb ya p d lf o rt h ep i p i n ge l b o ww i t ha x i a li n s i d es u r f a c eu n d e r d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fg e o m e t r y ，m a t e r i a la n dl o a d 3 o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ft h e1 4n o d ed i s p l a c e m e n tm e t h o d ，t h es t r e s si n t e n s i t y f a c t o r so fk ia n dk i la r ec a l c u l a t e du n d e rt h ei n t e r n a lp r e s s u r ea n dt h em o m e n tt h r o u g l lt h e p o s t p r o c e s s o ro fa n s y s ，t h e nt h e ya r ec o n v e r t e dt os h a p ef a c t o rf 4 t h es t i f f e n - e x p o n e n tni si n t r o d u c e di nt h ep a p e ra n dt h en o n l i n e a rm a t e r i a lp r o p e r t i e s o fa n s y sa r ed e f i n e dw i t hi t t h ep r o g r a mo ft h es o l u t i o no fj i n t e g r a li sc o m p i l e db ya p d l t oa n a l y z et h ee l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp r o b l e mo fc r a c ks t r u c t u r em o d e l t h ef u l l p l a s t i c a n a l y s i sm e t h o di sc o n f i r m e db a s e do nt h ef u l l - p l a s t i cj - i n t e r g r a lm e t h o di ne p r i 大连理一1 大学硕士学位论文 5 t h ef u l l p l a s t i cj - i n t e g r a lj po ft h ea x i a li n s i d es u r f a c ep i p i n ge l b o w si sc a l c u l a t e d u n d e rt h ed i f f e r e n t p r o p e r t i e s o fp r e s s u r ea n dm o m e n t ，t h e nt h et a b l e so ff u l l p l a s t i c c o e f f i c i e n t sh 1a r ed o n e k e yw o r d s ：f e m ；s u r f a c ec r a c k ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ；j - i n t e g r a l ； f u l l - p l a s t i cc o e f f i c i e n th l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：望圜! 鍪日期：呈翌垒垒：之! 大连理丁大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名： 赞宣? 釜 诊营袭 芝翌埋厶年生月丑日 j 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 压力管道安全管理与监察规定( 以下称“管规”) 中将压力管道按其用途划分 为工业管道、公用管道和长输管道。工业管道是指工业企业所属的用于运输工艺介质的 工艺管道、公用工程管道和其它辅助管道，其主要遍布于石油、化工、化肥、电力、冶 金、轻工、医药等各工业领域以及城市燃气、供热系统，担负着输送易燃、易爆、高温、 腐蚀、有毒及放射性介质的重要任务，在国民经济中占有霞要地位，一旦发生泄漏或断 裂将有可能引发爆炸、燃烧、中毒等重大事故，使社会的生产和经济遭受严重破坏，人 民的生命和财产蒙受巨大损失，直接影响社会生活和安定。我国对压力管道实行安全监 察管理起步较晚，9 6 年劳动部颁布“管规”后才步入正轨，过去压力管道一直处于部门 各自管理的局面，各部门对压力管道的认识不同，重视程度不同，管理水平差异也较大。 近十年来管道设计、制造、安装及运行管理中的问题逐渐暴露出来，重大人身伤亡事故 时有发生。截止1 9 9 5 时，石化系统3 5 家企业的6 4 7 5 7 公里i 、i i 、i i i 类管线中管道发 生了多起爆炸事故，如9 2 年某石化厂高压蒸气管线爆裂，9 2 年1 0 月某炼油厂l p g 管 线波纹管爆裂，某化工厂热水管爆炸，9 3 年8 月某石化厂瓦斯管断裂爆炸着火，9 4 年 某氮肥厂法兰崩裂飞出，9 5 年某石化冷箱铝管、埋地管爆炸等。2 0 0 6 年1 月2 0 日， 中国石油西南油气田分公司位于四川省仁寿县的富加输气站发生一起压力管道爆炸特 大事故，造成l0 人死亡，5 0 人受伤。原劳动部职业安全卫生与锅炉压力容器监察局曾 组织调查组专题调查压力管道安全状况，从整理的2 4 0 例( 其中4 0 例是国外案例) 压 力管道事故中可以看出问题的严重性。其中1 2 4 起发生人员伤亡，共死亡1 8 4 人，伤2 9 6 人，直接经济损失3 0 0 0 多万元，因停产等因素造成的间接经济损失更为惊人”1 。可见 在役含缺陷的压力管道对安全形成了严重的威胁，已经成为企业安全的较大隐患。 事实上，如果一味强调安全，而盲目地将所有含缺陷管道作返修或退役处理，也是 不现实的，有些缺陷并不影响管道的安全使用。因此正确评价一个已知缺陷的危害性， 确定含缺陷结构的安全裕度，是一个与整个生产系统的安全性和经济性直接相关的问 题。七十年代初，一些工业技术先进的国家就开始把断裂力学的研究成果应用于工程实 际，发展形成了以“合乎使用”为原则的缺陷评定方法，并受到普遍重视”3 。近三十年 来，我国科研及工程技术人员对断裂力学在压力容器及管道的应用方面也进行了大量研 究工作，并取得了很大的进展。然而由于结构和受力状态的复杂性，对压力管道的检测 和安全评定工作相对比较困难。其中各种缺陷特别是对一些管件的断裂研究还不是很全 光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 面，使得对压力管道的安全监管受到一定制约。由于计算机技术的发展，有限元方法成 为一种行之有效的分析手段。本文即是根据有限元原理，利用有限元计算分析软件对含 沿轴向内表面裂纹的光滑弯管进行有限元分析，归纳得到工程实际需要的结论，用以进 行安全评定、寿命评估。 1 2 在役压力管道的安全状况调查与分析 1 2 1 我国在役压力管道使用现状 从2 0 0 1 年对高桥石化等六家企业抽样调查情况看，近几年，六家企业的压力i 、i i 、 i i i 管道总长己达2 1 3 6 公里，比9 5 年前增长3 7 ，现有管道的检测率也有了很大提高， 但由于管道的安全不仅仅取决于使用单位，还与设计、制造等其它方面有很大关系，管 道的泄漏与爆炸事故仍时有发生，主要问题在于“： ( 1 ) 压力管道设计、制造、安装、检验及使用管理的标准规范不统一、不齐全、 甚至相互矛盾。例如9 5 年前，国家没有统一管理压力管道的部门，各部门之间无人协 调，同样的管法兰、阀门等管道组成件标准有很多，有的企业同时使用几个标准系列的 管件、阀门，十分混乱，因材料、型号用错导致事故的例子数不胜数。 ( 2 ) 压力管道的设计工作也是疏于管理。设计单位、设计个人未经统一的考核与 认可，水平参差不齐，很多管道在设计时就存在选材不当，或结构先天不足等问题，为 日后使用埋下隐患。 ( 3 ) 压力管道的组成件( 如管子、管件、阀门、法兰等) 的产品制造过程中没有 强制性的监督控制( 近二年国家质量技术监督局已颁布了压力管道元件制造单位安全 注册与管理办法) ，大量伪劣产品进入市场，给管道埋下了事故隐患。如某炼油厂加 氢裂化装置管线中上万件新购弯头、大小头、三通，使用前监理单位重新检测，竟有3 0 发现裂纹、硬度偏高、砂眼等缺陷，厂方不得不花费百余万人民币的检测费用，使用单 位、检验单位提心吊胆；管道组成件质量不合格，已经严重威胁着管道的安全运行。 ( 4 ) 压力管道的安装队伍混乱，管理失控，过去也没有进行单位与人员资格认可， 管道的安装质量低劣使管道中保留了大量的超标缺陷。9 5 年的调查中，发现几乎每一条 i 、i i 、i i i 类管道都有超标焊接缺陷存在。有的管道虽然要求按g b j 2 3 5 、g b j 2 3 6 来旌 工，但实际安装时流于形式，根本达不到质量控制的目的。 ( 5 ) 压力管道的在用检验管理混乱。一是缺乏检验的标准，二是缺乏检验的条件， 三是缺乏专业检验队伍，最重要的是过去没有要求强制检验，很多单位根本不检验。石 化企业管理比较好，一直在按工业管道维护检修规程进行外部检验与定期检验，但 这种检验也主要是一般性的日常巡检，停车检验时主要是按一定比例( 一般不超过2 0 ) 大连理t 大学硕十学位论文 对焊口进行无损检测( m t 与r t 等) 与测厚，而管道在非焊口部的缺陷，如管子的冲 蚀减薄与管件的损坏根本无法发现，所以石化企业管道爆炸事故较少，但泄漏停产事故 还是屡有发生。 ( 6 ) 全国压力管道事故统计报告工作剐刚实行，缺乏完整的压力管道事故统计资 料，事故原因统计分析较为困难。 综上所述，我国工业管道在9 5 年以前基本上处于一个管理失控状态，管道中的各 种缺陷严重，爆炸泄漏事故逐年增多。1 9 9 6 年“管规”颁布后，压力管道的管理工作走 上正轨，设计、制造、安装、检验等各环节加强管理，开展许可证制度，使我国压力管 道的安全状况得到改善，促进了新建管道的“优生优育”，但是近千万公里的在役管道 中遗留下的先天缺陷依然是人们摆脱不了的阴影。 1 2 2 压力管道存在的共性问题 工业管道中缺陷情况远与压力容器有所不同，组成管道的各个元件都有各自的缺陷 形式与破坏方式，如阀门的失效，膨胀节的失效等。管道中除去制造安装时遗留的缺陷 外，使用过程中新生缺陷可能出现在管线流程中任一部位，虽然有一定的规律性，但相 比容器来说却有很大的不确定性，管道缺陷有以下一些共同特点： ( 】) 先天原始缺陷与使用中的新生缺骼相互影响 从数量上来说，九十年代以前投用的压力管道由于制造安装质量严重失控，管线上 的原始缺陷较多，九十年代以后在用的新老管道由于介质腐蚀性加剧，管道中新生缺陷， 尤其是介质环境引起的损伤明显增多。从已发生事故调查中发现，一般情况下管道严重 损坏事故6 0 6 5 是由原始缺陷引起，3 5 - 4 0 是使用中的缺陷与损伤引起原始缺陷与使 用中新生缺陷是相互影响的，一条管线原始缺陷多，在使用中也容易新生缺陷，如不合 理管道结构，不合适的管道组成件选型都会在使用中诱导缺陷产生 ( 2 ) 原始缺陷中的焊接缺陷 调查资料表明，原始缺陷中，焊接缺陷占8 0 以上。焊接缺陷主要是指在管道安装 焊接过程中产生的缺陷，一般有焊缝几何成形偏差过大、焊缝的表面缺陷、埋藏缺陷及 因施焊引起的材质变化等。焊缝的表面缺陷一般打磨消除后形成凹坑。在一般碳素钢与 低合金钢管道焊接缺陷中，9 0 以上是未焊透、气孑l 、夹渣缺陷，在高强钢管道中含有 埋藏裂纹的可能性增大，但大部分缺陷仍是未焊透、气孔、夹渣。 ( 3 ) 凹坑与局部减薄类缺陷的“死”与“活” 凹坑与局部减薄虽然属体积型缺陷，主要失效模式是塑性极限载荷控制，但由于其 形成原因不同可能有二种类型，一类是原始先天缺陷，由于表面缺陷打磨形成凹坑，在 光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 使用中没有介质腐蚀的话，这类凹坑或局部减薄般不会发生变化，是“死”缺陷，而 且位置固定，容易发现与监控，相对危害性较小。另一类是使用中产生的凹坑与减薄， 如腐蚀坑，冲刷磨损沟槽等等，这类缺陷是“活”缺陷，减薄尺寸会不断加大，并且可 能存在于管道任何位置。难于发现，因而危害性较大，企业中的很多爆炸事故因此而引 起的。 ( 4 ) 无形的缺陷 一类缺陷宏观上是有形可见的，是可以用无损检测方法发现的，如裂纹、未焊透、 气孔等焊接缺陷及几何偏差等等，还有一类缺陷宏观上是无形的，但却弥散于整个管道 材料中，难以用无损检测方法发现，这类缺陷一般是材质的损伤与蜕化，如氢脆、应力 腐蚀、回火脆化等等。这种弥散性损伤危害性大，难以用无损方法检测，一般无法修复， 而且往往不具备安全评估条件。 ( 5 ) 什么缺陷都没有的结构缺陷 有一些管系，材质满足要求，制造安装质量合格，无任何缺陷，但却时常开裂，这 是由于管系结构布置不合理，在使用及升降压、升降温过程中过大的变形无法补偿引起， 我们称这种管系带有“结构缺陷”。通过必要的应力分析计算，改变管线的变形补偿能 力可以消除“结构缺陷”。 ( 6 ) 管道组成件与支承件的质量令人担扰 管件( 三通、弯头、大小头等) 、法兰、螺栓、垫片、阀门、接头、过滤器、支吊 架等组成件与支承件的失效破坏同样也会造成管道的失效与破坏。经调查企业管道中的 上述元件普遍存在着选型不当、安装不合理、元件质量低劣等现象，因而管道由此而引 起的事故总量并不低于焊接质量引起的事故。如何检验这类元件的有效与安全，评价其 可靠性是一个迫在眉睫的课题。 ( 7 ) 高强钢应用与介质环境苟刻化带来的问题 高强钢应用带来裂纹敏感性增大问题，尤其是在各种高温临氯及腐蚀性介质作用下 管道发生腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、蠕变、氢损伤的概率大大增加，对这类管道 中可能产生的缺陷与材质损伤应当有充分的准备，研究其防护技术及介质作用下管道的 安全性问题是未来压力管道技术研究的重要课题之一。 1 3 国内外压力管道缺陷评定技术 1 3 1 失效载荷的工程评定方法 断裂力学评定方法的应用，需要较多的断裂力学知识，因此在工程实际中推广与应 用受到限制，同时，在工程实际中最关心的问题是含裂纹管道的最大承载能力，因此有 大连理i ：大学硕士学位论文 研究者根据材料力学理论，结合试验结果，提出了在役管道承载能力的计算方法，归纳 起来可分为塑性极限载荷法和局部应力载荷法。前者认为，当缺陷所在管子横截面全面 产生屈服时管子失效，此时所承受的载荷为管子的失效载荷；而后者认为，缺陷所在管 子横截面上的最大应力达到材料强度极限时管子失效，此时所对应的外载荷为管子失效 载荷。 由大量实验数据分析可见，对材料韧性较好的管子，采用塑性极限载荷法来预示失 效载荷，结果与试验值较吻合：而材料韧性不大好或者缺陷位于焊缝中时，用局部应力 载荷法可能更适合。由试验数据分析可见，当流变应力c r 0 取为材料屈服极限盯，与强度 极限盯。的平均值时，塑性极限载荷法会得到不安全的预示结果，因此有些学者建议流 变应力取为盯。- ( 盯，+ 盯。) 2 4 ，在局部应力载荷法中，失效应力取为材料强度极限盯一 有时也会得到不安全的预示结果，特别是在裂纹较短的场合。 另外，在管子失效试验中得到管子承受外弯矩时，在缺陷所在平面管子断面会产生 椭圆化，而上述计算方法中，都将管子断面作为圆形来考虑的，管子断面的椭圆化要影 响管子的承载能力，而椭圆化受到缺陷及管子几何尺寸的影响，因此就产生了椭圆化的 修正问题。 1 3 2 断裂力学评定方法 在役管道安全评定是指在役含缺陷管道安全评定方法，这是断裂力学在管道安全评 定中的应用“3 。而管道都是以韧性较好的材料制成，因此它涉及的是弹塑性断裂力学的 概念。当前通常采用的断裂参量是j 积分，其原理是含缺陷管道本身在外载荷( 内压、 弯矩等) 作用下的j 积分值与管子材料所具有的j 阻力进行比较，从而判断管子所含缺 陷( 裂纹) 的起裂和不稳定扩展的可能性，即起裂时，j ；j 。；不稳定扩展时， a l a a = d j 。，幽，式中j 为含缺陷结构j 积分值；j 。为材料的断裂韧性：a i o a ，d j 。，d a 为推动力和材料阻力对裂纹扩展d 口的变化率。 由上述可见，失效判定决定于两个方面，一方面是材料的j 阻力曲线问题，另一方 面是含缺陷管道在外载荷作用下j 积分的计算问题。前者已经规范化、标准化了；而后 者，不同学者对在塑性条件下，含裂纹结构载荷、位移的关系方面有不同见解，并结合 各自试验研究结果，提出了不同的计算模型和计算方法。主要的j 积分评定方法有美国 电力研究所( e p r i ) k u m a r 等人提出的g e e p r i 法、p a r i s 等人提出的p a f i s - t a d a 方法、 n r c 提出的l b b n r c 方法以及美国b a t t e l l ec o l u m b u sl a b o r a t o r y 提出的l b b e n g 方 法。这些方法大多数是半经验评定方法，是在一定计算模型前提下，经一些简化假设， 然后在用试验数据验证的基础上进行修正提出来的。它们的共同点都是建立在断裂模型 光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 基础之上，其计算结果与试验值相比都偏低，其刁i 同点有些考虑了塑性区修正( 如 g e e p r i 方法、l b b n r c 方法等) ，有些则没有；有些材料作为理想塑性体( 如p a r i s t a d a 方法) ，有些涉及了塑性变形后的硬化( 如l b b n r c 等) 。 文献“】运用这五种方法对1 5 个含穿透裂纹的管道进行计算，并与试验值进行比较 ( 见表1 1 ) ，表中给出了试验与计算的裂纹张开位移( c o d ) 之比的平均值与变异系 数，其变异系数为结果的标准差与平均值之比。 表1 1 含穿透裂纹管子的试验结果与计算值的比较 ( t a b1 1c o m p a r i s o no fc a l c u l a t i o na n dt e s t i n gr e s u l t si np i p ew i t ht h r o u g h w a l lc r a c k ) 由表可见，所有计算方法得到的c o d 的值都偏低，即实验值与计算值的比值均大 于1 0 ，其中g e e p r i 方法计算结果与试验值最接近，但给出的变异系数较大。而 l b b e n g 方法就算结果稍低于试验值，同时也给出较小的变异系数，l b b n r c 方法计 算结果小于l b b e n g 方法，并且变异系数也较大。在五种方法中，以p a r i s t a d a 方法 给出最保守的计算结果，变异系数亦最大。 以上五种计算方法，美国b a t t e l l ec o l u m b u sl a b o r a t o r y 已编制了计算机软件 ( n r c p i p e ) ，可用来计算穿透裂纹( 或复合裂纹) 的起裂载荷与最大承载能力。该程 序也可以计算管子的载荷点位移、裂纹扩展与裂纹张开位移，还可根据材料断裂试验结 果计算材料的j 求阻力曲线，n r c p i p e 种应用的分析方法及适用的加载条件见表1 2 。 表1 2n p c p i p e 软件中的计算方法与加载条件 c r a b1 2c a l c u l a t i o nm e t h o da n dl o a dc o n d i t i o ni nn p c p i p es o f t w a r e l 大连理l 大学硕士学位论文 表1 _ 2 中所列出c e g b r e v 3 分析方法是英国中央电力局提出的r 6 评定方法第三版， 它将脆断评定与塑性失效评定相结合，用一张失效评定图( f a d ，f a i l u r ea s s e s s m e n t d i a g r a m ) 来表示，因此它又称为双参数法。f a d 法包括线弹性断裂、弹塑性断裂、塑 性失稳破坏三种不同的失效机制。在e p r i 的基础上，最近有学者又提出了弹塑性参考 应力模型( l a n g s t o n 模型) 。j k s h a r p i e s 等根据实验结果对各种模型计算的结果进行了 比较，认为弹塑性参考应力法是在k u m a r 提出g e e p r i 方法基础上加以改进，在断裂 参量塑性分量( j 。) 计算中采用了弹塑性参考应力的概念。 0 4 = ( e r ) ( 1 1 ) 式中，p ，只为外载荷和塑性极限载荷；仃。为材料流变应力。 同时在g e - e p r i 方法中的无次函数惋( ”，a b ，州，) 改成h 2 ( a b ，r t ) ，除去了材料硬 化参量胛。 1 3 2 ，1 用于表面裂纹的j 积分评定方法 压力管道所含缺陷大多是表面缺陷，对表面裂纹的评定方法是在对穿透裂纹评定方 法基础上发展起来的，其中有些评定方法仍可用于表面裂纹的评定，以下再介绍几种用 于表面裂纹评定的方法： ( 1 ) s c t n p 和s c t k p 评定方法( s c t n p l 和s c t k p l ) “ 这两种评定方法是美国b c l 在“退化管道研究计划”中提出的( 1 9 8 7 年) 。它的 基础是g e e p r i 评定方法，g e e p r i 方法在计算j 积分塑性分量，。时，给出了3 6 0 。整 圈的表面裂纹h 函数，而在s c t n p l 和s c 。t k p l 评定方法作了改进，将h 值运用到有 限长的表面裂纹。s c t n p l 和s c t k p l 两种评定方法的区别在于：s c t n p l 方法作了 管子薄壁的假设，它适用于通常的薄壁管道，而s c t k p l 方法可用于厚壁管道的评定。 ( 2 ) s c t n p 2 和s c t k p 2 评定方法“” 这两种方法是美国b c l 在“管道和管道焊缝中短裂纹研究计划”中提出的，是对 s c t n p l 和s c t k p l 的改进。相比而言在两方面作了改进：首先是发展了g e e p r i 方 法的h 函数，将之扩展到了较深的表面裂纹( a t = o 8 7 5 ) 在进行改进时，其次是提出了 基于断裂力学计算的修正参量三。三参量不仅是裂纹尺寸的函数，而且与材料的硬化指 数有关。通过这样的修正，使表面裂纹j 积分的计算更为正确。 ( 3 ) s c e n g 评定方法“ 这也是美国b c l 在“管道和管道焊缝中短裂纹研究计划”中新提出的。它包括计 算管子在载荷( 弯矩、内压和弯矩) 作用下，管子所受载荷与管子转角的关系。它的理 论基础是：经典的塑性表形理论；材料的r - o 本构关系；由于裂纹的存在， 光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 使管子的柔度变化而采用的当量壁厚准则，这与用于穿透裂纹l b b e n g 2 方法相类似。 j 积分的计算也分为弹性部分和塑性部分，弹性部分以的计算为通常的应力强度因子法， 而塑性部分的，。计算为： j ，= o 声；a m = 号r 谢 ( 1 2 ) 式中虻= c m “ 彤一由于裂纹而引起的管子转角的塑性分量 膨一所旌加的弯矩 c 一比例常数 n 一材料的硬化指数 由于在推导计算式时，利用了n s c 准则，n s c 准则有k a i l d j n e n 提出的原计算方法 和经k u r i h a r a 修正的n s c ( n e ts e c t i o nc o l l a p s e ) 方法两种，因此根据这两种方法分别 导出的称为s c e n g l ，另一个称为s c e n g 2 。计算结果表面，s c e n g 2 方法的计算结 果比前面的方法( s c t n p ，s c t k p ) 更加接近有限元计算结果。 1 3 2 2 用于穿透裂纹的j 积分评定方法 国外管道研究初期对象主要是针对含穿透裂纹的压力管道，建立l b b ( l e a kb e f o r e b r e a k ) 准则，为此建立的评定方法有：美国电力研究所( e p r i ) k 砌a r 等人提觇的 g e e p r i 法、p a r i s 等人提出的p a r i s t a d a 方法、美国核研究委员会n r c 提出的l b b n r c 方法以及美国b a t t e l l e c o l u m b u s l a b o r a t o r y 提出的l b b - e n g 方法。这些方法都是在基 于一定材料假设的基础上建立起来的。在前面章节对这些方法有详细比较说明，这里不 在赘述。 1 3 3 英国r 6 评定方法( 双参数准则) r 6 评定方法是英国中央电力局( c e g b ) 提出的“4 1 。”，它适用于各种缺陷结构的 断裂评定。含缺陷结构的失效形式有三种可能，即脆性断裂、塑性失稳和弹塑性断裂。 通常对三种失效形式分别进行评定，而双参数法则是将三种断裂评定用一张评定图表 示。如图1 1 所示，该图的纵坐标( k ，= k ，r 。) 表示结构脆性断裂性能，横坐标 ( l ，= p p 。) 表示结构的塑性失效行为。 随着研究的深入，r 6 评定方法经常进行修订，至今共进行了六次修订，但英国仍 将目前文本称为第三次修正版( r h r 6 ，r e v i s i o n 3 ) “，它是目前广泛采用的断裂评定 大连理工大学硕士学位论文 方法，也是美国a s m e 规范i w b 3 6 4 0 和i w b 3 6 5 0 管道评定的基础。自1 9 9 0 年起， r 6 增设了附录9 ，即增n - f 对核压力管道的l b b 评定方法。近几年来r 6 又有了新的进 10 0 5 圈1 1 失效评定曲线 f f i g1 1 f a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m ) 展，就用于压力管道评定方法方面而言，其进展体现在两个方面：一是提供了简化的和 详细两种评定方法，前者类似于美国的e p r i 方法，后者可用于表面裂纹的扩展评定； 二是将l b b 评定用于高温蠕变场合，提出了与时间有关的l b b 失效评定图 k ，= f ( l ，r ) ) 。 1 3 4 美国a s m e 规范i w b 一3 6 4 0 和i w b - 3 6 5 0 评定方法 美国a s m e 规范第篇为核动力装置部件的检验与验收规程，其中i w b 3 6 4 0 及附 录c 为“奥氏体钢管道缺陷评定规程及验收准则”，i w b 3 6 5 0 及附录h 为“铁素体钢 管道缺陷评定规程及验收准则”。这是目前国际上最具有代表性的用于压力管道缺陷评 定规范“7 ”1 。它的最大优点在于编制者在大量的理论分析、数值计算和试验研究的基础 上，把复杂的断裂力学计算简化为及其方便的计算公式和图表，便于广大工程技术人员 使用。 该方法的理论基础是r 6 双参数的失效评定图，先对含缺陷管道的失效模式进行筛 选；即脆断、塑性失效和弹塑性撕裂，然后根据不同的失效模式分别进行评定。在脆断 评定中采用经典的线弹性断裂力学：在塑性失效分析中，是以净截面屈服准则为基础： 而在弹塑性撕裂评定中，提出了修正因子z 只要将所受的载荷乘以z 因子，即可将较 简单的塑性失效计算结果用于比较复杂的弹塑性断裂分析。 光滑弯管沿轴向内表面裂纹弹塑性有限元分析 1 4 断裂力学中的断裂参量 传统设计的基础是以材料的均匀性、连续性假设为基础的，认为材料中没有裂纹和 缺陷存在。实际上在焊接结构物中裂纹和其它宏观的缺陷是不可避免地存在，随着高强 度钢和焊接结构被广泛采用，发生了大量低应力脆断事故，运用传统的强度理论和力学 知识无法解释这一现象，学者们在总结断裂事故的基础上，通过对含裂纹体的破坏进行 大量的实验研究，形成了一门崭新的学科一断裂力学，为结构件的安全设计提供了新的 思想和方法。断裂力学的任务是研究带裂纹结构在各种工作环境条件下表征裂纹扩展推 动力的参量，并研究裂纹的起裂、扩展、失稳和止裂的规律，以及材料对裂纹的断裂抗 力( 断裂韧性) 的力学分支。k 因子、c o d ( c r a c ko p e n i n gd i s p l a c e m e n t ) 、j 积分都 是反映裂纹尖端附近奇异应力、应变场的单一断裂参量，这些参量是进行断裂力学研究 和断裂评定的基础。 i 4 1 应力强度因子k 1 9 5 7 年，i r w i n “”从裂纹尖端的应力场出发，提出了应力强度因子的理论，使断裂 力学的研究开始了新的阶段。在断裂力学中，裂纹按其受力及裂纹扩展途径分为三种类 型：张开型( i 型) 、滑开型( i i 型) 和撕开型( 型) 。针对不同的裂纹模式，对应 的应力强度因子分别记为：b ，砀i 和瞄i i 。 ( 1 )i 型g r i m i l l 裂纹的渐近应力场和位移场 图1 2 所示为具有中心穿透裂纹的受两向均匀拉伸无限大平板，对裂纹尖端进行应 x y 图1 2 受单向拉伸载荷穿透裂纹板 ( f i g1 ，2p l a t ew i t ht h r o u g h w a l lc r a c ku n d e rt e n s i o n ) 大连理t 大学硕士学位论文 力分析，当r a 时，可得i 型穿透裂纹裂纹尖端附近的应力场近似解为 = 镖c o s c 争s i n c 笋c = 存c o s 争s i n c 扣c = 絮s i n ( 詈) c o s ( 詈) c o s ( 始- )2 砺亍ii 一j 告z 肿s c 平面蝴 2 l 。 ( 平面应力) 在平面应变条件下裂纹尖端附近( f a ) 的位移场近似解： “= 塑半盯4 g c o s 争却) + s m 2 ( 和 u ：笙笋盯压压s i 咖”胪c o s 2 ，1 在平面应力条件下裂纹尖端附近( r a ) 的位移场近似解： 卜三e 盯届v 臣2 z rc o s ( 知刊+ ( 1 s i n 2 ( 扣 k 三e 盯压v 臣2 zs i n ( 扣- ( 1 + 亦o s 2 ( 0 以上各式中，e 为材料的弹性模量，为材料豹泊松比。 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 2 )i i 型g