（材料加工工程专业论文）bs7910海底管线3c级断裂评估.pdf

摘要 海底管线作为一种工程结构在实际中有着广泛而重要的应用，担负着输送 诸如石油、天然气等介质的重要任务。同时，作为一种焊接结构，管线的焊接接 头也不可避免的会存在各种可雒的焊接缺陷。 随着工程实际应用的发展，人们逐渐以“合于使用”的思想原则来对焊接缺 陷可能给结构带来的影响进行合理的评价，而不再采用以往使用的“完美无缺” 的经验方法来要求结构中不能存在任何的焊接缺陷。 本文以“合于使用”的思想为原则，依据在国际上广泛使用的标准b s 7 9 1 0 ， 对中国海洋石油总公司渤海石油公司( c o o e c ) 所开发的旅顺至大连问海底石油 传输管线x 5 6 海底管线进行3 c 级断裂评估。 我们首先对b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 标准进行了解和掌握。为了获得3 c 级评估所需的 管道材料的性能数值，我们以对管道供应商提供的数据进行分析的方式获得母材 金属的拉伸力学性能；通过对焊缝金属进行力学性能实验的方式获得其力学性 能，并通过测定j 阻力曲线确定热影响区和焊缝金属分别具有的断裂韧性。 在3 c 级断裂评估中，j 积分是一个非常重要的参量，也是研究弹塑性断裂力 学的重要内容之一。我们在广泛查阅大量国内外科拄文献资料的基础上，收集并 整理料国内外的j 积分估算方法。提出了计算舍环向穿透裂纹管道j 积分估算方 法：l b b e n g 2 方法；提出了计算含表面裂纹管道j 积分估算方法：s c e n g l 和 s c e n g 2 方法。我们通过对管道模型的等效简化，推导出其运算公式，避免了复 杂的弹塑性断裂分析和有限元计算，适用于弹性到弹塑性整个范围。 在以上工作的基础上，我们对x 5 6 海底管线进行3 c 级断裂评估得出了3 c 级评估的失效评定图与一系列评定点，并进行安全性能分析。 关键字：海底管线；b s 7 9 1 0 ；3 c 级断裂评估 a b s t r a c t a sak i n do f e n g i a e e r b a gs t r u c t u m , t h es u b m a r i n e l i n eh a st h ea b r o a da n di m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s w h i c ha l w a y si sm e x lt od e l i v e r t h co i l 枷t h eg a s i nt h es 础t i m e ， ak i n do f w e l d e ds t l u e t u r e , t h e w e l d e d j o i n t o f t h ep i p e l i n ea l w a y s h a s t h e i n e v i t a b l e w e l d i n gd e f e c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e g i j 始晒n gp r a c c l j p _ , e ，p e o p l eg r a d l u a l l y 哪et h e o r i n c i p l eo f t , h e f i l n e s sf o r s e ”t oa s s e s st h ei n f l u e n c eo f t h ew e l d i n gd e f e c t so nt h e s l r u e t u r e , s a n dd o n tr e q u i r e dt h a tt h es - t r u e t u r es h o u l dn o tc o n t a i na n yw d d i n g d e f e c t s n 如p a p e ru s 镕t h ep r i n c i p l eo ft h e f i t n e s sf o r 雠”a n dt h er e g u l a t i o no ft h e b s 7 9 t 0 ：1 9 9 9 幻f n a b 越3 c8 s 瞄s 日i 嚣蚌f o r t h es u b m a r i r i e l i n c w h i c h j s d e v e l o p e db y 也ec o o e ca n di sl o c a t e db e t w e l v s h t t ua n dd a u a n t of i n i s ht h ea s s e s s m e n t , a tf i r s t , w eu n d e r s t a n dt h er c g u l a i o ma n dt h et h e o r i e s o ft h eb s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 t h e n w eo b t a i nt h et e n s i l ep r o p e r t yo ft h ex 5 6p i p eb yt h e a n a l y s i so ft h et e m i l ea n dy i e l ds 臼e q g t hv a l u ew h i c hi so r ：t r i l l _ t i e df r o mt h em i l l c e r t i f i c a t e s ，o b t l l i nt h et m s i l ep r o r , m yo f t h ew e l db yp e r f o r m i a gt h et e m i l et e s t i n go f t h ew e l dm e t a la n do b t a i nt h ef r a c t u r et o u e 蛳o ft h ei - i a za n dt h ew e l dm e t a lb y d c _ t e 脚】i i 血1 9t h ej - rm o f t h e m k 也ef i a e t u r ea s s e s s m e n to f 3 c j i n t e g e ri sav e r yi m l x n m a t ! o m e t e r w h i e h i sa l s o i m p o r u m tc o n t e n t si nt h ee l a s t i c - p l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s i nt h i sl 】a p e r t h e a v a i l a b l ed o m e s t i ea n af o r e i g nj - i n t e g e r a le s t i m a t i o am e t h o d sw c l ec o u e c t e d 缸d d i g e s t e d0 1 1e x t e n s i v e l yr e a d i n gs e i e m ea n dt e e l m o l o g yb i b i l o g r a p h i cr e f e r e n c e s w e b i 出f o r w a r d l b b 。e n g 2 j - i n t e g r a le s l i m a t i o n m e t l a o d s f o r p i p e s w i t he i r e u f e r c a t i a l 血o u g h - w a l lc 口吐, a n d b r o u g h tf o r w a r ds c e n g ia n d s c e n g 2j - i n t e g r a l 酷t i i n a 虹o n m e t h o d s f o r p i p e s w i t h e i r e u f e r 血a ls u r f e c r a c k w e d e v e l o p e d t h e e q u i v a l e n tr e d l l e e ds t i o na n a l o g i e sa n d d e r i v e dt h ef u n c t i o n l u a f i o n s , w h i e l aa v o i de 酃_ e c i a l l yc o m p l e xd a s t i e - p l a s t i cf r a c t u r ea m l y s c sa n df i n i t e e e m e x l tn u m e r i c a lc o r n p l l 斌i o l l s t h e s e 铝血n a 蛔m e t h o d s nb ej p p l i e dj t h e c o m p l e t er 跚a g eb d f i 】l 慨d a s t i ea n df u l l yp l a s t i cc o n d m o n w ba s 鸵s s e dx 5 6s 翰面d ep i p e l i n ej 3 c1 e v e lb m e do nt h ea b o w w o r k , o b t a i n i n g 3 c 】e v c li n v a l i d a t i o na s s c 档m e n tc h 甜锄da 辩 l i e so fa s s e s s m e t i tp o i n t s , c a t e h i 丑g t l o u e , l as a f e t yp c r f b m m a n a l y s i s k e yw o r d s ：s e a s i d ep i p e l i n e ，b s 7 9 1 0 ；3 cl e v e lf r a c t u r ea s s c s $ 1 d a c n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果也不包含为获得盘查盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；正山签字日期：j 一币年，月，6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；二山 导师繇鹎 签字日期：上口，1 年，月，5 日 签字日期：z 一6 年1 月i 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 海底管线工程又被称为“生命线工程”，海底管线可分为输油管线、输气管线 和注水管线等。它是连接海上石油平台与陆地的重要通道。随着海洋石油工业的 发展，海底管线作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分。已日渐成为 人们关注的课题。 我国目前已铺设了数千千米的海底管线，由于历史、技术、管理的原因，相 当数量的管道存在着各种相当严重的焊接缺陷、结构缺陷、材料缺陷和使用后产 生的裂纹、腐蚀以及长期超期服役造成的材料的损伤等l i j 。据统计，每1 0 0 0 k m 管道每年出现管道损伤泄漏的概率为0 2 。 而且，随着时间的推移，有些管线已接近设计年限。自1 9 8 5 年我国铺设首 条海底管道以来，有些管道已进人中后期使用阶段，其损坏率会逐年增大。这些 设备若继续盲目使用而不及时研究治理，必将继续成为事故的主要根源a 考虑到我国的经济实力有限，如果对这类压力容器及管道依据制造质量标准 全部予以报废更新，经预算需要2 0 0 4 0 0 亿万资金，并占用全国管道制造能力 2 3 年时间，这显然是不切实际的；如果采取在全面检验的基础上进行广泛修 复和部分报废更新，也需要1 0 0 2 0 0 亿元，这也是目前所难以承受的。为此 防止在役海洋管线的严重危险，研究切实可行的安全评估技术，已成为十分迫切 的任务川。 在海底油气输送管道的焊接结构中，焊接接头是结构的薄弱环节，在焊接以 及运行过程中不可避免会产生各种缺陷，从而影响管道的正常运行因此，对含 缺陷焊接接头进行安全评定具有重要意义 由于管道的焊缝多为环向对接接头焊缝，内壁普遍存在未焊透缺陷，且相当 严重缺陷一般是环向的，因此焊接管道断裂分析应集中于环焊缝的表面缺陷【l j 。 在压力管道结构中，除内压力引起的薄膜应力外，导致管道断裂失效的载荷主要 是由于管系、介质及阀件自重、强制安装、管系热膨胀和管道支撑等引起的拉应 力、弯曲应力和热应力，应力状态较为复杂口】。由于断裂的推动力，积分基本上 与缺陷自身高度成正比而塑性极限载荷基本上与剩余韧带截面成正比，因而对 于小尺寸的管道，尤其是塑性较好的管道，失效往往是由塑性极限载荷控制，而 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 不是断裂力学控制。因此，需要一个专门的针对受压管道的缺陷评定规范，作为 对受压管道超标缺陷进行安全评定的技术标准。 1 2 研究内容总述 1 2 1 含缺陷管道断裂试验研究进展 近4 0 年来世界各国研究工作者进行了数以千计的管道断裂试验。早期的工 作集中在内压下含纵向裂纹的管道断裂行为的试验研究，相当于小直径压力容器 的断裂试验研究。这些工作是由石油及天然气公司资助的，涉及薄壁低韧性的碳 钢管道。随后又进行了大量厚壁的高韧性材料含纵向裂纹的管道在内压下的断裂 行为的研究，包括起裂、扩展及止裂等近1 0 1 5 年工作重点集中到环向裂纹 核管道承受内压及外弯矩载荷下行为的研究，包括准静载的、单调位移控制的、 更进一步到复杂的动载、循环加载及模拟地震载荷谱的管系试验研究。 自8 0 年代初期开始，美国、德国、日本、法国、英国等国在压力管道领域 展开了许多研究工作，其中有许多大规模的甚至是国际合作的研究计划，大大推 动了管道完整性评定技术的发展。例如：美国核管委员会的退化管道研究计划 ( d e g r a d e dp i p i n gp r o g r a m ) 和1 9 8 7 年开始1 9 9 1 年结束的“国际管道完整性研究计 划”i p i r g ( i m e m a f i o n a lp i p i n gl a t e g r i t yr e s e a r c hg r o i r p ) 等。 1 2 2 含缺陷压力管道安全评定技术研究的进展 近二十年来，美国、欧洲各国以及中国进行了许多大规模的甚至是国际合作 的研究计划，大大推动了管道完整性评定技术的发展，例如：西德m p a 研究所的 “含缺陷大型压力管道的断裂疲劳试验研究”、美国核管理委员会( u s n i i c ) 的“退 化管道研究”( d e g r a d e dp i p i n gp r o g r a m ) 。以及随后的美国原子能研究委员会 发起的“国际管道完整性研究计划”( i n t e r n a t i o n a lp i p i n gi n t e g r i t yr e s e a r c h g r o u p ) 九十年代，美国又进行了“管道及其焊接短裂纹”五年研究计划。 近年来欧美安全评定规范的发展有两件标志性的大事。第一件大事是美国石 油学会于2 0 0 0 年颁布了针对在役石油化工设备的合乎使用评定标准a p i5 7 9 ， 在内容上具有鲜明特色，反映了结构完整性评定技术研究范围有了很大拓宽 鉴于世界各国缺陷评定规范的迅速发展，i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fp r e s s u r e v e s s e la n dp i p i n g 期刊于2 0 0 0 年发表了一个专刊，题名为”缺陷评定方法， 介绍了国际上十个缺陷评定规范的进展，其中也包括了我国八五攻关编制的 s a p v 一9 5 。第二件大事是1 9 9 6 年欧洲委员会( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 为了建立 一个统的欧洲实施合于使用评定标准发动组织了一个研究计划，有9 个国家 天津大学硬士学位论文 第一章绪论 的1 7 个组织参加，于1 9 9 9 年完成了“欧洲工业结构完整性评定方法”，简称 s i n t a p ，已于2 0 0 0 年发表并已形成了一个未来欧洲统一标准的草稿。由于英国 r 6 、p d 6 4 9 3 、德国的c k s s 及瑞典技术中心都是s i n t a p 研究的核心成员，s i n t a p 也是他们共同参与研究后形成的共识。鉴于s i n t a p 不久将要成为欧洲的统一标 准，r 6 及b sp d6 4 9 3 在它即将颁布新皈前夕，对它们各自的修改稿又作了一次 紧急修改”。r 6 于2 0 0 1 年颁布了它的全新版( 第4 版) ：p d6 4 9 3 于2 0 0 0 年 颁布了它的修订版，但代号已改为b s7 9 1 0 ：1 9 9 9 。取消了p d 代号而正式列入 正规的英国标准“。这也是本文采用的标准。下面主要介绍b s 7 9 1 0 及其评定方 法“”。 1 3b s 7 9 1 0 标准简介 1 9 8 0 年英国标准协会首次起草了p d 6 4 9 3 焊接结构缺陷验收评定方法指 南，后又在1 9 9 1 年对p d 6 4 9 3 进行了修订。但是，随着工程评定领域的发展， 英国标准协会制定的b s 7 9 1 0 焊接结构中缺陷的可接受性评定方法逐渐取代 了p d 6 4 9 3 斗1 。 当对新结构或已使用结构的完整性进行工程临界评定时，我们需要对无损检 测技术检测到的缺陷建立“可接受”评定等级。 1 3 1 简介 b s 7 9 1 0 标准共有3 个评定等级，但是每一个等级的方法是相似的”。选用何 种级别评定与所选材料、可提供的相关数据以及精确程度有关。3 个等级分别为， 8 ) 一级是简单评定方法，在已知材料性能数据有限的情况下使用。 b ) 二级是常规评定方法。 c ) 三级评定适用于延性材料，主要是对高应变硬化指数的材料或需要分析 裂纹稳定撕裂断裂时，才考虑使用此方法。 评定是在断裂力学的基础上，应用断裂评定曲线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 ) 方法进行的。f a d 图的纵轴是实用情况与引起断裂的情况的比值，二 者均是在断裂力学的基础上。f a d 图的横轴是实用载荷与引起塑性破坏的极限载 荷的比值。在图中绘制一条评定曲线，计算含缺陷结构的评定点的坐标或轨迹。 这些点的位置通过与评定曲线的比较来确定此缺陷是否可接受。评定整体流程图 如图i - i 所示。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 2 缺陷尺寸 平面缺陷应该用它们所包围的长方形的长度和宽度来表征( 缺陷复合理论说 明见附录d ) 。这些尺寸如下所述：2 a 表示穿透缺陷尺寸；e t 和2 c 分别表示表面 缺陷的深度和长度；2 a 和2 c 表示埋藏缺陷深度和长度。b 为官道壁厚。 1 3 3 应力强度因子( k ) 和c t o d ( 6 ) 评定路线 每一等级都有两种评定路线：它们基于应力强度因子k ，或裂纹尖端张开 位移( c t o d ) 6 ，在f a d ，坐标图的纵轴中表示为k r 或万( 断裂比率因子) a 在 任何评定中，必须从始至终使用一种评定路线。 1 3 4 载荷比s r a n dl r f a d 图中的横坐标是表示塑性失稳的一些参数。在一级评定中，用舒表示， 是参考应力与流变应力的比值。在二级和三级评定中，用，表示，是参考应力 与屈服强度的比值。它们之间的区别在于：一级评定曲线是基于完全弹一塑性应 力应变曲线，没有应变硬化，这种评定方法是保守的。因此。为了弥补保守性， s r 采用流变应力而不是屈服强度。二级和三级评定中采用更精确的材料应力 应变曲线，保守性有所降低。 1 3 5 焊趾处的峰值应力 位于焊趾应力集中医的表面缺陷( a b ( 0 2 ) ，峰值应力没有一个最大值。 因此，这些缺陷在二级和三级评定中可以较准确的评定。然而，级评定能应用 在角接或对接接头焊趾处的表面缺陷。那里的应力集中因子k t 随着缺陷深度从0 增加到0 1 5 b ，其值从3 线性递减到1 0 ( 在一级评定中的应力集中因子k 等效 于二级和三级评定中的| k 因子) 。如果a 大于0 1 5 b ，那么k c - 1 。 1 4 一级评定一简化评定 1 4 1 主要特点 当只有有限的材料性能数据或外加应力时，应用简化的评定程序。它包括两 个方法，1 a 和1 b 级“。使用外加应力，残余应力和断裂韧度的保守估计，附加 的局部安全因子也不需要考虑。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 2 评定方法 1 )1 a 级 图1 1 评定整体流程图 如图卜2 所示的f a d 图中，被坐标轴和评定曲线所包围的是长方形区域，如 果府o r 万小于1 , 2 ( 大约o 7 0 7 ) s r ( 流变应力) 小于0 8 ，那么缺陷 是可接受的。f a d 图中包含了内在的安全因子( 安全系数大约为2 ) t 1 0 3 a 评定时通常使用单一的f a d 图。如果评定点位于评定曲线所包围的区域内， 天津大学硕士学位论文第章绪论 那么缺陷是可接受的；如果评定点落在此区域外，那么缺陷是不可接受的具体 流程如图卜3 所示。 2 ) l b 级：该方法不包括f a d 图。 n i c r 或 46 r 1 4 3 最大应力 0 o 0 ，2 n 4 o 6 n 8 1 o s r 图1 - 2 1 a 级f a d 图 评定采用最大拉伸应力f ，如果膜应力和弯曲应力均已知，那么应用下 式进行计算： a - 呲= k 只+ 1 ：, b 【只4 - ( 吒一1 ) 只 + q ( 卜1 ) 只为膜应力和只为弯陆应力，吒应力放大系数，丸为膜应力校正因子，屯为弯曲应力叫 正因子。q 为残余应力。 该式是对整体实用载荷的保守计算。 l 4 残余应力 在此评定中，对于焊态结构，计算纵向残余应力( 与焊缝平行的残余应力) 时，其值锄等于缺陷所处材质室温下的屈服极限，丽对于横向残余应力( 与焊 缝垂直的残余应力) ，其值等于母材或焊缝二者较低的室温下屈服强度值。 而对于经过热处理的焊接结构，焊接残余应力应当在焊缝或母材试件上通过试验 覆 取。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4 第一级流程图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 5 断裂比率因子( k r ) 应力强度因子k 。有如下基本表达形式”1 ： k = ( r 孑) ( 厕 ( 1 2 ) 其中珩= 蛾帆 m 和f f分别是膨胀修正因子和有限宽度修正因子 o 。最大拉伸强度 玩应力强度放大因子( 觅b s 7 9 1 0 附录b ) i ：r 应力强度因子k 。与断裂韧度k 。的比值，也就是说 r 墨5 ( 1 - 3 ) 1 4 6 断裂比率( 6r ) 6 。可以通过如下方法由k t 确定： a ) 对于钢( 包括不锈钢) 和铝合金， o r 比值： 4 = 笔 盯一o r 0 5 时，对于其他材料的任意 b ) 对于钢( 包括不锈钢) 和铝合金，当吒。e r ，o 5 时 其中4 = 嘉( 乏) 2 ( 詈以2 s 6 ，是6 。与断裂韧度5 。的比值 6 ，的平方根根据如下方程计算而得：4 = 勘，d 0 ( 1 4 ) ( 卜5 ) ( t - 6 ) 1 4 7 加载比率( s r ) 加载比率( s r ) 通过如下方程计算而得：= 仃夕 ( 1 7 ) 其中o 。通过适当的参考应力求解方法计算得到( 见b s 7 9 1 0 附录a ) ；对于一级 评定参考应力为流变应力d i - 等于屈服强度和最大到1 2 a j 的拉伸强度的算 术平均值。 l 天津大学硬士学位论文 第一章绪论 1 5 二级评定一常规评定 1 5 i 主要特点 等级2 是应用最广泛的常规评定级别。包括两种方法，每种方法中有独自的 评定曲线方程和截止线，如果被评定点落入坐标轴线的评定曲线( 包括面积之 内) ，则该缺陷可以验收，如果被评定点落入评定曲线上或评定曲线之外，则缺 陷被判拒收。截止线用来防止局部塑性破坏在此级评定标准中： 一= ( q + a j ( a a r ) ( 卜8 ) 为了定义截止线，使用平均性能而不是最低性能值。 此等级没有定义通用的内在安全因子。为了获到所需的安全性，对缺陷尺寸、 应力、屈服强度和断裂韧度采用合适的局部安全因子。 详细的流程图如图1 - 5 所示。 1 5 2 f a d 1 ) 2 a 级：不需要应力应变数据 描述评定曲线方程如下所述： 对于t k ：厉o rk r = ( 1 0 1 4 l r 2 ) o 3 + 0 ，7 e x p ( - 0 6 5 l r ) ( 1 1 9 ) 对于工， k ：4 = o rk ，= 0 ( 卜1 0 ) f a d 对于不同的材料在圈中有不同的截止线。f a d 当厶= 1 0 时通过如下 方程来估计： 万( 工，= i ) o rk ，( = 1 ) = i + e s l 衅+ 1 2 ( 1 + e 矗) 】) ( 1 - 1 1 ) 这里岛= 0 0 3 7 5 ( 1 一盯”y 1 0 0 0 ) 是l t l d e r s 平台的估计长度( 这个关系限制 在矿 1 ) = 万( 厶= 1 ) 工，“m ” ( 1 1 2 ) 或 e ( 1 )= k ，( t = 1 ) 卅州2 “ ( 1 - 1 3 ) 这里n = 0 3 ( 1 一o r r ，吒) 是应变硬化指数下限，是屈服强度到拉伸强度的 比值听吒的估计而来 2 ) 2 b 级：材料性能明确的评定等级 9 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 5 第二级流程图 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 这个方法适用于各种类型的母材和焊缝。它一般给出较级别2 a 精确的结果， 但它需要较多的数据，它需要应力一应变曲线，因而它难以应用于热影响区，( 因 此热影响区只可应用级别2 a ) 且焊缝或母材的应力一应变关系应在所需的温度 下测试。同时需要屈服强度值或瓯，、抗拉强度及弹性模量。尤其需要注意应变 小于1 应力一应变曲线关系形状。 建议工程应力一应变曲线应当在下述o - o - r 值下精确测定：口，口，= 0 7 ，0 9 0 9 8 ，1 0 ，1 0 2 ，1 1 。1 2 ，间隔为0 1 直到矿 ， 喜嚣兰芝雾毫k r = c 鲁+ 袅广 ”z 4 ) 对于t 上k ：占，或5 ( j + 了；尹) ( 卜 对于， 厶呱t 或1 ( r = o ( 1 - z s ) 这里，0 是通过单向拉伸应力一应变曲线在真应力为o j 获得的真应 变。对于大多数的应用场合，可以使用工程应力应变数据，但是应当注意对a i 周 围的点进行仔细计算“。 1 5 3 应力组成部分 评定应考虑在缺陷附近的实际应力分布，所需应力由膜应力和弯曲应力组 成，倒如p i mp b ，锄和q b 。如果需要的话，它们应该乘以一个合适的局部安全 因子。如果最终推倒的应力强度因子是负值，则在评定中认为此值为0 。 1 5 a 残余应力 残余应力通常认为为均匀分布的，如在1 级中所述。但对于不一致的情况， 本节b ) 部分中包含了对于特殊焊缝几何不一致性，残余应力分布的指导方法。 在本节b ) 中残余应力分布是在室温下焊接接头上残余应力最大值。它们能 用于任何温度下的焊接接头评定。但是不能被修正，而考虑由于温度提高，预先 过载或与施加应力的交互作用而引起的应力松驰。1 。 a ) 残余应力计算 这里残余应力通常假定为一致的，残余应力分量q m ，可假定为等于如下值 的较低值。 q = 盯r ( 卜1 6 ) 或 q _ = ( 1 4 一盯o ，弦， ( 卜1 7 ) 这里口r 表示在评定温度下的适当的材料屈服强度；仃，表示在评定温度下 的适当的流变应力( 假定等于屈服强度和拉伸强度的平均值) 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 b ) 焊接接头中的残余应力分布 在一些情况下，在本节a ) 中推荐的关于焊接接头的残余应力可能会过于保 守，需要更精确的残余应力分布情况。 残余应力分布示意图如图1 6 所示。推荐的管道焊缝残余应力分布是基于试 验数据基础上的，适用于表i - 1 所列的参数范围。 表l - i 推荐焊缝残余应力分布的参数范围 厚度验证强度热输入 几何类型 mn r m fkj f m 管道环焊缝对接 9t o8 4 2 2 5t o7 8 0 0 3 5t o1 9 接头 本节给出了在铁索体和奥氏体钢接头中横向和纵向残余应力的计算方程。根 据壁厚，0 2 的名义屈服强度或屈服强度a 0 来表示残余应力分布情况。深度z 是从屉后一道焊缝表面处测量，特殊情况除外。对于横向残余应力，盯，取焊缝 和母材的屈服强度值较低值。两屈服强度的较大值应用于纵向残余应力的计算。 在一些场合中，残余应力可用热输入e i 表示，它等于( 焊接电流) 乘咀( 焊 接电压) 然后除以焊接速度。其计算结果即残余应力分布与在一定限制内得到的 经验多项式计算结果相吻合。所给表达式是计算残余应力分布的最大值。如果不 能得到关于焊接能量参数的一些数据，可以让一位有经验的焊接工程师根据尺 寸、焊接工序和位置建议合适的焊接能量范围，使用热输入的最大值。 纵向残余应力分布 o7 0 o y ￥ 横向残余应力分布 网5i 粤， 图卜6 残余分布的示意图 管道环焊缝对接接头残余应力分布一如图( 1 - 6 ) 1 ) 纵向残余应力( 如平行于焊缝长度一管道环向) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 对于铁素体和奥氏体铜管对接接头的纵向残余应力分布通过一个线性分布 来保守地描述。此线性分布通过外表面的o 。应力和内表面的。一8 来定义。计算 方程如下所述： 口r l = o ， 1 + ( z b ) ( o 一。o ，一1 ) ) ( 卜1 8 ) z 从外表面点开始测量，单位是咖。 其中对于b 1 5 ( i nm m )o 一。= o ，( 1 - 1 9 ) 对于1 5 1 4 = ；k = 0( 1 3 1 ) 这里：l 和j 对应同一载荷( 相同的l r ) ，k r 是l 的函数。 所有用于确定j 和j 的分析必须通过计算机代码加以验证。同时，并且分 析过程中需对所采用的单轴真应力一应变曲线进行准确的描述。 1 6 3 应力分量 关于应力分量及相关系数的定义办法与第二级中相同。 1 6 4 残余应力 残余应力的计算也与第二级一样。 1 6 5 外加应力强度因子( 1 ( i ) 对k 。的计算应该遵照与第二级相同的程序，然而，由于本级精确度的提高， 应当对数学特解加以注意。 1 6 6 应用c t o d ( 6 i ) 对& 的计算应当遵循与第二级相同的程序。然而，由于本级精确度的提高， 应当对计算k i 时的数学特解的加以注意。 1 6 7 延性撕裂分析 1 ) 延性撕裂分析方法 对于延性撕裂分析，对撕裂阻力k - 。、j 。或5 。等被定义为延性裂纹扩展或 者撕裂( a ) 的函数。根据b s 7 4 4 8 - 4 作出r - 曲线。通过试验方法得到( a ) 的 函数的韧性阻力曲线。不论是从单一的试件还是一组试样。其韧性取决于通过j 的得到的一系列足。或乳的参数值。当采用单组试件时，至少需要3 卟试件所 得到的数据。一般选用数据所构成的低界曲线。当采用多组试件时，至少需要六 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 个试件，并选取低界曲线。在这两种情况下，若认为数据有一定的分散性，那么， 只要增加试验的数量，就可以获得满意的曲线。 试验试样中的裂纹面及其延伸方向应该与其在结构中保持一致。对于铁素体 钢的温度转变机制，全厚度试样可能发生解理断裂失效，而非全厚试样对可能发 生撕裂失效。因此，不可能得到有代表性的韧性值。所以，一旦有脆性断裂危险， 试祥的厚度必须与结构完全相等。那么对于比较厚的结构，一方面由于几何尺寸 影响，另一方面也受到试验机容量的制约，要做到这一点几乎不可能。在这种情 况下，应该以尽可能厚的试件来测得所需数据，并在后续的评定过程中对结果依 据截面递增可能产生的影响加以校正。有关这方面的指导材料可阻查阅文献或者 从数据库中获得。 当结构不存在脆性断裂的危险时( 如非铁素体材料) ，或者温度远高于韧性 一脆性转交温度的铁素体钢，允许直接利用比实际结构薄的试件进行试验，并采 纳所得到的数据。在这种情况下，数据应当严格限制在有效性范围内，直至裂纹 扩展的极限值a a 。 注意：这一参数与b s 7 4 4 8 4 中的a a 。在数值上是一致的。所包含的参数 如下： a ) 缸是撕裂裂纹扩展的极限，可用来进行分析。具体如下定义： 1 ) 于与实际结构等厚度试样，它是试验数据的极限值。 2 ) 对于比实际结构薄的试样，它是特殊几何尺寸试样有效j 积分的极限。 b ) 对应于a a l ，i 【i 或6 。即为k 或5 。的值。 c ) k 。或6 。可通过基于裂纹a 从a o 扩展到以之间的公式来定义，或者可通 过基于同一极限下a 的点与点之间的离散值定义。对于铁素体钢，a a o 可以 取0 2 m 。 2 ) 撕裂分析可以依据下列途径 a ) 定义已知缺陷的尺寸( a o ) b ) 定义k 。或6 。 见1 4 5 和1 4 6 c ) 定k a a ：阅读茁。或最 d ) 如果口 l ，0 m l ，利用7 3 t7 计算l 并且采用采用下面的公式计算也或者& ： ” + ， k i 在1 4 5 中被定义 再牾+ p 6 。在1 4 6 中被定义 晒、6 z 和4 是在缺蹈长度f 口寸+ 巳下定义的，根据嚣要t 其中还应当包 括部分关于应力的安全系数和缺陷尺寸。 1 7 天津大学硕士学垃论文 第一章绪论 e ) 如果1 o h m 船。 5 0 m m ，缺陷扩展的间隔衄如下： a 凶= 0 ；a a i - 1 0 r a m ；h a t = 0 2 a a 。：a a 3 = 0 4 + a a ；等等。 利用( i - 2 9 ) 计算k 并且通过公式( 1 - 2 4 ) 和( 1 - 2 7 ) 来分别计算瞄或& 。 k i ，6 | ，l ( i 。，6 叫以及d 为缺陷长度分别为a - a o ，a 0 + a l ，鼬+ a ：的值； f ) 将各对l 、k r 或者k f 4 的值绘制在同一f a d 坐标上，拟合出评定点的焦点。 如果焦点完全位于评定线的外面，则缺陷不可接受，如果穿过评定线，就会有部 分延性撕裂发生，然而这也可以预测为稳定状态，认为缺陷也可被接受。 1 6 8 更多的点 1 ) 各级别间的比较 尽管随着评定等级的不断提高，保守性通常降低。每一评定等级都给出了 一个自包含程序，在有些情况下，这种事情不可能发生。特别地，第一级分析中， 若采用c t o d 韧性值作为输入数据，对处于高残余应力状态的缺陷进行评定时， 若转而采用第二级评定并不会显示出任何优势。 2 ) 不唯一解 因为程序中数学解形式的不唯一性以及输