（材料加工工程专业论文）基于sintap方法的海底管道安全评定.pdf

摘要 海底管道作为一种焊接结构，担负着输送石油、天然气等介质的重要任务。 但是由于焊接缺陷、残余应力、力学性能不均匀性等原因使焊接接头成为整个 结构的薄弱环节。 本文通过裂纹张开位移( c t o d ) 试验研究了x 6 5 管线钢焊接接头各部位的 抗开裂性能。其中c t o d 值是根据i s o 标准b s 7 4 4 8 在o c 下采用标准三点弯试样 试验得到的。从试验结果可以看出，本研究所采用的x 6 5 管线钢焊接接头焊缝 的冲击韧度和断裂韧度明显低于母材。从裂纹张开位移试验结果可以看出，供 试的x 6 5 钢母材的抗开裂性能明显优于焊缝。 本文采用欧共体提出的s i n t a p ( s t r u c t u r a li n t e g r i t ya s s e s s m e n t p r o c e d u r e ) “结构完整性评定方法”为标准，运用自主开发的评定软件，对x 6 5 管线钢焊接接头中焊趾处的表面裂纹的进行了安全评定。根据母材和全焊缝拉 伸试验结果，建立了x 6 5 管线钢焊接接头的0 级、一级和三级评定曲线，评定 结果表明，不论是采用0 级、一级或是三级评定，各评定点均在评定曲线定义 的范围内，表明该焊接接头是安全的。本研究将s i n t a p 方法应用于管道结构的 安全评定过程中，具有实际的工程意义和经济价值，为s i n t a p 在国内管道结构 安全评定中的应用奠定了基础。 关键字：管线钢；裂纹尖端张开位移；s i n t a p a b s t r a c t i nt h ew e l d e ds t r u c t u r eo fo f f s h o r ep i p e l i n eu s e dt od e l i v e ro i la n dg a s 也e w e l d e dj o i n t sa r et h ew e a k n e s sl o c a t i o n t 1 1 i si sm a i n l yb e c 黜t h e r ea r ei n e v i t a b l e w e l d i n gd e f e c t s ，r e s i d u a l s t r e s s e sa n di n h o m o g e n e o u sm i c r o s t r u c t u r e sa n dp o o r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n 血ew e l d e dj o i n tz o n e i nt h i ss t u d y , t h ec r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e m ( c t o d ) t e s t sw e r ec a r r i e d o u tt oi n v e s t i g a t et h ec r a c kr e s i s t a n c eb e h a v i o ro f w e l dm e t a l h a za n db a s em e t a lo f x 6 5p i p e l i n es t e e l c t o dt e s t sw e r ec o n d u c t e da t0d e g r e ea n dp e r f o r m e da c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t so ft h es t a n d a r do fb s 7 4 4 8 p a r t l ：m e t h o df o rd e t e r m i n a t i o no f k i c ，c r i t i c a lc t o da n dc r i t i c a ljv a l u e so fm e t a l l i cm a t e r i a l sa n dp a r t 2 ：m e t h o df o r d e t e r m i n a t i o no fk 1 c ，c r i t i c a lc t o da n dc r i t i c a l jv a l u e s o fw e l d si nm e t a l l i c m a t e r i a l s ，i nw h i c has t a n d a r dt p b ( t h r e ep o i n tb e n d i n g ) s h a p ew a sa c c e p t e d n l et e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a e ta n df r a c t u r et o u g h n e s so fw e l dm e t a la r em u c hl o w e r t l l a n 也a to fb a s em e t a l n 他r e s u l t so f c r a c kt i po p e n i n gd i s p l a c e m e n tt e s t ss h o wt h a t 也ec r a c kr e s i s t a n c eo fx 6 5b a s es t e e l i sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f t h ew e l d h lt l l i si n v e s t i g a t i o n , s t r u c t u r ei n t e g r i t ya s s e s s m e n tp r o c e d u r er s i n t a p ) w a s a p p l i e da st h es t a n d a r dt oa s s e s s m e n ta n dw eu s e dt h ep r o c e d u r ew h i c hd e s i g n e db y o u r s e l v e st oa s s e s s m e n tf o rw e l d e di o i n t so ft h ea p i5 lx 6 5p i p e l i n es t e e l 、v i 血 s u r f a c ef l a wa tt h ew e l dt o e n l ef a i l u r el i n e so f1 e v e l0 1a n d3o ft h ew e l dw e r e d e r i v e df r o mt h et e n s i l et e s tr e s u l t s t h er e s u l t so ft h ea s s e s s m e n ts h o w e dt h a ta l l a s s e s s m e n tp o i n t s ( l r ，k r ) a r el o c a t e dw i t h i nt h ef a l l u r el i n e so fa n a l y s i sl e v e l0 ，1a n d 3 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ew e l d e d j o i n to f t h ep i p e l i n ei ss a f e n l es t u d yi so f g r e a t s i g n i 题c a n c ei nt e r m so fe n g i n e e r i n ga n de c o n o m i ce f f e c t i v e n e s s t b i ss t u d ya p p l i e d t h ed e s i g n e dp r o c e d u r ew h i c hb a s e do ns i n t a pm e t h o dt oa s s e s s m e n tt h es a f e t yo f p i p e l i n e ss l r u c t u r eh a sl a i dt h ef o u n d a t i o no fa p p l i c a t i o no fs i n t a pt op i p e l i n e s 1 舶k ：t i 聆a s s e s s m e n t k e yw o r d s ：p i p e l i n es t e e l ；c t o d ；s i n t a p i l 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，也不包含为获得叁鲞盘堂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：莎嘲钇签字日期：沙，年月，乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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： 导师签名；毅五乱 签字日期：7 妒铝月哆日 签字日期：。口莎年，月，弓日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 海底油气管道在能源输送过程中起着十分重要的作用。国内外绝大多数石 油、天然气都是通过管道运输的“1 。作为海洋油气田生产系统中一个重要组成部 分，海底油气管道具有以下优点：海底油气管道具有连续输送的能力，不受水 深的影响，不受地形条件的限制，输油效率高，铺设周期短，投产快等。由于 近年来海上石油开采的迅猛发展，海底油气管道更加体现出其重要性。现代石 油管道向着大口径、高压储输及厚壁化的方向发展，并且随着高寒地带油气田 的开发，对输送管道的低温韧性要求也日益提高。因此，管道用钢也不断发展， 管材从普通碳素钢( x 4 2 、x 4 6 、x 5 2 ) 、低合金高强度钢( x 5 6 、x 6 0 和x 6 5 ) 一直发 展到微合金高强度钢( x t o 、x 8 0 、x 1 0 0 ) 。当前，在世界范围内的管道钢年产量 中，小于x 5 2 钢级的约占3 0 ，x 5 2 - x 6 5 钢级占6 0 ，x 7 0 钢级以上的管道用 钢产量占1 0 8 一。 海底油气管道属于海洋工程结构物的一种类型，受海洋自然环境的影响， 像水文、气象、海底地形等因素：特殊情况还需考虑地震、海啸等偶然因素的 影响。它承担着输送石油、天然气以及易燃、易爆介质等任务，管道运输系统 一旦发生泄漏或破坏等事故，不仅影响正常生产秩序的进行、威胁工人的生命 安全而且必将给国家经济和国民生活带来巨大的损失“”。研究表明，压力管道 作为一种典型的焊接结构，其焊接过程常常使焊接接头的组织性能劣化及产生 缺陷”“1 。而焊接缺陷处有较大的应力集中，在使用过程中往往成为裂纹的源头， 而管道一旦从焊接接头处发生断裂，极易造成突发性和灾难性断裂。由此看来， 焊接接头是管道系统的薄弱环节，对其强度、寿命和安全可靠性进行评定以保 证管道安全可靠的使用具有重要的现实意义”“1 。 大量的工程实践表明：焊接结构中的缺陷并不都会带来危害，不加区分地 对其进行修复，在经济上不可取，同时不恰当的修复有时甚至会带来进一步冶 金上的损害使材质性能下降乃至产生新的缺陷“”。基于以上认识，英国焊接 研究所首先提出了“合于使用”的概念，并在其基础上发展为。合于使用”的 第一章绪论 的原则，它不仅包括超标缺陷的安全评估，还包括环境( 介质与温度) 的影响和 材料退化的安全评估。按合乎使用原则建立的结构完整性技术及其相应的工 程安全评定规程( 或方法) 越来越走向成熟。在广度方面新增了高温评定、各 种腐蚀评定、塑性评定、材料退化评定、概率评定和风险评估等内容；在纵深 方面：弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分 析、无损检测技术等均取得很大的进展“”1 。 “合于使用”原则是以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系统工 程为基础的严密的科学准则，与“完整结构”在概念上的区别是它在焊接结构 可能存在构件形状，材料性能偏差和缺陷的前提下，通过应力分析、断裂力学、 材料试验、质量检查、无损探伤等科学分析，保证结构在服役期间不发生任何 已知机制如脆性破坏、疲劳失效、应力腐蚀的失效事故。因此该原则为焊接结 构的设计、制造和安全使用提供了重要的依据和强有力的手段。显然这一原则 的基础是理论分析和试验测试的方法，它取代了“完美无缺”的经验方法“”“， 同时在保证评定结构安全运行的前提下还考虑了经济性。 基于“合于使用”原则的评定方法应用断裂力学理论建立了应力、缺陷和 材质性能的关系，其中应力包括一次应力( 包括薄膜应力和弯曲应力) 和二次 应力( 包括结构变形约束或边界条件引起的薄膜应力和弯曲应力以及由于局部 的塑性变形引起的残余应力、焊接残余应力和热应力、由于构件局部形状不连 续性而引起的峰值应力等) ；材质性能主要指的是材料的断裂韧性，通过断裂 韧性来判断材料在一定条件下的抗断裂的能力。 目前，石油天然气输送管道缺陷评定方法主要也是基于“合子使用”原则 的评定方法。 s i n t a p 是对焊接结构进行。合于使用”评定的一种方法，s i n t a p 方法的 诞生是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 ) 为了建立一个统一的欧洲实 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 ( s t r u c t u r a l i t e 鲥t ) ，a s s e s s m e n tp r o c e d u r e ，已于2 0 0 0 年发表并已形成了一个未来欧洲统一 标准的草稿吼。”1 。涉及到脆断领域和塑性破坏，以及二者之间的相互作用。 这种方法能在设计阶段为新结构提供保证，在制造阶段为结构的完整性提供保 证，在运作阶段为结构的整个寿命提供保证。将之运用于工程中，能防止设计 过量和不必要的检测进而达到既安全又经济目的。 2 第一章绪论 1 2 本文的研究目的和内容 本文中，以欧洲最新的s i n t a p 标准为基础，根据所铺设的管道的性能，所 受到的外加载荷等条件，对管道进行安全评定，通过自己开发的软件计算在管 道缺陷尺寸已知的情况下，判断该缺陷是否是可以接受的缺陷( 主要是焊接裂 纹) 以验证管道结构是否安全，为在铺设过程中进行的无损检测提供缺陷验收 的依据。 本文研究了x 6 5 海底管线钢的断裂性能，同时根据断裂韧度试验得到的低温 ( o ) 下焊接接头不同部位的断裂韧度c t o d 值，并应用极限载荷法，依据s i n t a p 标准，运用自主开发的评定软件对该管道的安全性进行了评定。为此，主要做 了以下几方面工作： ( 1 ) 熟悉s i n t a p 评定方法，运用v b 编程软件自主开发s i n t a p 评定程序。 ( 2 ) 对x 6 5 钢管焊接接头各部位：焊缝、熔合区、距熔合区2 m m 和5 m m 处 及母材进行了低温( 一4 0 ( 2 ) 冲击试验；根据英国b s 7 4 4 8 标准，测试了x 6 5 管 线钢焊接接头不同部位在o 下的c t o d 值。 ( 3 ) 应用基于s i n t a p 评定方法为标准，自主开发的评定软件对管道进行0 级，一级及三级安全评定。 ( 4 ) 对评定结果进行分析总结。 第二章s i n t a p 评定方法简介 第二章s i n t a p 评定方法简介 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 ) 为了建立一个统一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p d6 4 9 3 在它即将颁 布新版前夕，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 年颁布了他 的全新版( 第4 版) ；p d6 4 9 3 于2 0 0 0 年颁布了他的修订版，但代号已改为b s 7 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。目前基于“合于使用” 原则的含缺陷结构的安全评定方法大多以s i a t a p 为核心基础，所以本研究主要 介绍并应用s i n t a p 评定方法。 2 1s i n t a p 简介渊 欧共体提出的用于欧洲工业的s i n t a p ( s t r u c a t r a ii n t e g r i t ya s s e s s m e n t p r o c e d u r e ) 采用了失效评定图f a d ( f a i l u r e a s s e s s m e n t d i a g r a m ) 和裂纹推动力 c d f ( c r a c k d r i v i n g f o i c a ，) 两类分析方法。本文主要应用f a d 评定图进行评定， 因此着重介f a d 分析方法。f a d 的关键是失效评定曲线碍l r ) ，只要评定点( l r ， k r ) 落在f a d 图内的安全区，则缺陷就是安全的。 八十年代以来，随着断裂力学的发展，国际上逐步发展形成了兼顾安全可 靠性和经济性的适用性评定方法( 见表2 i ) ，多数采用了f a d 技术。 f a d 提供了一种方便的评价结构由脆断至塑性失稳( 崩溃) 整个范围的失 效风险评定方法。失效评定图的y 轴( k r 轴) 代表结构对脆性断裂的阻力，而 x 轴( l r 轴) 代表结构对塑性失稳的阻力。失效评定曲线( f a c ) 插在这两个极 限失效模式之间。 典型失效评定图如图2 1 所示，由失效评定曲线和l r = l r l 。的竖线构成 在计算评定点的坐标时，对所考虑的实际几何条件，需要恰当的应力强度因子 4 第二章s 1 n t a p 评定方法简介 和极限载荷( 塑性失稳) 解，而且需要知道材料的拉伸性能和断裂韧性。评定 点的y 坐标由旌加的裂纹驱动力( 用应力强度因子计算) 硒除以材料的断裂韧 表2 1 结构完整性或适用性评价标准规范 名称 提出单位适用范围 b s ip d 6 4 9 3 1 9 8 0 焊接接头验 主要为平面型缺 收水平推荐的若干方法指南 英国标准学会 陷 弹塑性断裂力学分析的工程美国电力研究院( e p 对) 裂纹型缺陷 方法1 9 8 1 和通用电气公司( g e ) 含缺陷核压力容器及管道的 聊，g e裂纹型缺陷 完整性评定方法1 9 8 2 w e s 2 8 0 5 焊接接头中缺陷的 脆断评价方法 日本焊接工程学会标准平面型缺陷 g b t1 9 6 2 4 - 2 0 0 4 再用含缺陷 中国质检总局 裂纹型缺陷 压力容器安全评定 中国国标管委会 形变塑性失效评价图1 9 8 5 美国材料与试验学会裂纹型缺陷 含缺陷结构的完整性评价英国中央电力局 平面型缺陷 1 9 8 8 ( c b g b ) h w 焊接结构适用性评价指南主要为平面型缺 国际焊接学会 - 1 9 9 0 陷 s a f o u - r e p o r t9 i 0 1 带裂纹 构件安全评定规范手册 瑞典裂纹型缺陷 b s ip d 6 4 9 3 1 9 9 1 焊接结构缺 主要为平面型缺 陷可接受性评价方法指南 英国标准学会 陷 a s m eb 3 1 g 1 9 9 1 确定腐蚀 管线剩余强度的手册 美国机械工程师协会体积型缺陷 焊接接头脆性破坏的评定 主要为平面型缺 中国机械电子工业部 j b t 5 1 0 4 1 9 9 1 陷 a s m es e c t i o n - 1 9 9 5 核动力 电站构件在役检测的规则 美国机械工程师协会裂纹型缺陷 m p c f f s 1 9 9 5 石油化工中的 美国材料性能委员会裂纹型+ 体积型缺 适用性评价程序1 9 9 5( 胍) 陷 5 第二章$ 1 n t a p 评定方法简介 性k i c 得 j ，即k r2 蜀，。x 坐标由施加的载荷p 除以造成塑性失稳的载荷 p o ( 由裂纹几何的弹塑性解计算) 来确定，即厶2i i o 。 图2 一l 失效评定图 每一个评定点的位置是施加载荷条件、缺陷尺寸、材料性能的函数。如果 评定点位于由失效评定的坐标轴和失效评定曲线所构成的区域，认为结构安全。 反之，如果评定点落在失效评定曲线外侧，则结构可能不安全。 c d f 是直接按j 1 ，对应予由于二次应 力超过弹性估计值而导致塑性情况下，积分值的变化。反过来，矿 1 处的f ( l r ) 是非常保守的。 规定酽“取值为： 严= 1 2 l 陲# 丝。j 1 ( 2 - 9 ) ( 2 ) 无屈服平台材料的失茵评宦曲线。拍分= 殷轰诛 在o s l l 时为曲线，采用下 ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 1 4 ) 3 、第2 级( m i s m a t c hl e v e l ) 和第l 级相似，使用条件是要能获得材料力学性能和断裂韧度。用于焊缝 强度不匹配程度超过1 0 的场合，这时它必需要知道母材和焊缝两者的拉伸力 学性能。因而分三种情况，分述如下： 1 0 第二章s i n t a p 评定方法简介 ( 1 ) 母材及焊缝两种材料均无屈服平台时( 第一种情况) 仍可应用第1 级中的无屈服平台时的失效评定曲线三段表达式，但式( 2 - - 1 0 ) 及式( 2 - 1 3 ) 中的i i 值和n 值应改用不匹配时的值i m 和n m ，不匹配焊缝 接头的l l m 取值，取决于母材及焊缝的p 值( 1 ab 和1 1 w ) ，不匹配焊缝接头的塑 性屈服载荷f v m ，以及假设这一元件没有焊缝完全是母材时的塑性屈服载荷f v a 。 定义焊缝屈服强度oy w 与母材屈服强度oy b 之比值m 为强度不匹配因子，则： 式中： 不匹配焊接接头的n m 可由式( 2 1 7 ) 求得： ( 2 1 5 ) 脚= 曲 o 。，考，h = 血 0 叫去，。6 g 一旧 lj l o 柚j 乩= 瓦刁孓可瓦( m 可- 荭1 ) 瓦蕊丽( 2 - - 1 7 ) 式中： n i = o 3 ( 1 一o 1 1 | 口l o n = o , 3 ( 1 一o ，霄i 口l 茹( 2 - - 1 8 ) 矿= 扣尚 ( 2 ) 焊缝及母材均具有屈服平台时( 第二种情况) 仍可应用第1 级中有屈服平台时的失效评定曲线，也分三段，即式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 、 ( 2 7 ) ，但式( 2 - 4 ) 中的 应用 m 代替，式( 2 7 ) 中的n 用n m 代替。 ，一，一1 k + 一，儿 ( 2 1 9 ) 2 面j 广一 式中： 枷册5 剖( 卜矧卿。， 第二章s i n t a p 评定方法简介 截止线h 一值仍残式( 2 - 1 8 ) 计算 ( 3 ) 焊缝或母材之一具有屈服平台时( 第三种情况) 卅+ o 。前s ( 1 急 砌一 函0 6 ( 2 - - 2 1 )砌2 锄【瓦荔赢。6 j 在l r l 处：按第二种情况一样的办法对待。 4 、第3 级( s t r e s s - s t r a i nl e v e l ) 这一方法要求可获得材料的应力一应变关系曲线以求得f ( l r ) ，当然也需要 知道材料的断裂韧度值才能进行评定。第3 级不仅能计算焊缝基本匹配的情况， 也可以用于不匹配焊缝的评定。 在不涉及焊缝时或焊缝基本匹配时采用r 6 第3 版的选择2 曲线，即： 即陪+ 别嘭= 陪+ 别咣 c 2 畅， 其中参考应力口膏= 盯。l r ，参考应交占耐为在材料的单向拉伸真应力一应变关系 曲线上与参考应力对应的应变值。 在强度不匹配焊缝时也用式( 2 - 2 3 ) ，但盯耐、占耐和三，值的计算均应采用母 材与焊缝组成的含缺陷元件的当量以一乞关系曲线，它是根据塑性极限载荷相 等的原则求得的，当然和母材的一知关系、焊缝的o - w 一知关系、不匹配因子 m 及f , a , 4 及f y b 有关。乞的塑性部分( 塑性应变知) 与口。的关系o e ) 为： 吼g ，) ；垒量互生二尘生j 芝熹墨等生蔓幽( 2 2 4 ) 第二章s i n t a p 评定方法简介 式中吒、a 和盯。是指在设定的任一塑性应变量，时，当量盯。一，关系曲 线上、焊缝a 膏一，关系曲线上及母材盯。一，关系曲线上的应力值。应该指出 的是这里的不匹配因子m 值并不是上一级中的m 值，而是在不同塑性应变量， 时的不匹配因子m ( e ) ，不是材料常数，与，的大小有关。只有当两种材料关 系形状完全相似时，m ( ，) 才有可能是常数。 并且式( 2 - - 2 4 ) 中的f n 庐y b 值也应该是在这些m ( ，) 下的值。这时当量 m g ) = 制 ( 2 2 5 ) f 2 嚣 掣( f ) 2 6 ， 严= 曼 屈服应力o r e 、当量流变应力盯。及三，分别定义为； 这里，为两种材料流变应力相应的两个塑性应变中较低者的值。 5 、第4 级( c o n s t r a i n tl e v e l ) 本级别的评定是根据裂尖拘束度的具体情况估算材料实际断裂韧度来进行 评定。 6 、第5 级( j - i n t e g r a la n a l y s i s ) 要求已知材料应力应变关系曲线以计算j 积分，可以是没有焊缝的结构，也 可以是不匹配焊缝( 这时要求焊缝及母材的应力应变关系都已知) ，实际上就是 严格有限元计算解。 7 、第6 级( l b b ) 部分穿透的表面裂纹可能继续扩展通过剩余韧带变成穿透裂纹引起泄漏， 但仍然可能处于稳定状态，这就是l b b 状态。s i n t a p 提供了一个新的估算裂 纹扩展过程中缺陷形状变化的估算方法。 由于上述三种方法在本文中没有涉及，所以仅作简单介绍。 第二章s i n t a p 评定方法简介 2 2 本章小结 本章主要介绍了目前基于“合于使用”原则评定方法的基础一s n r a p 评定 方法，从应用范围、基本方程等几个方面详细说明了s i n t a p 的分析等级；并根 据以前的评定方法，总结出s i n t a p 评定方法的新特点，为以后的评定研究奠定 基础。 第三章x 6 5 管线钢的断裂性能研究 第三章x 6 5 管线钢的断裂性能研究 为了对管道安全性进行评定，本文针对a p l 5 lx 6 5 高强度海底管线钢的断 裂性能进行了大量实验。包括夏比冲击试验、裂纹张开位移( c t o d ) 试验，冲 击试验常作为质量控制和检验的手段；c t o d 试验常用于评定材料的抗开裂性 能。 3 1 x 6 5 钢力学性能试验 3 1 1 试验焊管 试验焊管外径q ) = 5 5 8 8 m m ( 2 2 1 n ) ，壁厚t = 1 2 7 m m ( o 5 i n ) ，材质为a p i5 l x 6 5 ，其化学成分和力学性能如表3 - 1 、3 - 2 所示( 摘自a p is p e c5 l 管线钢规范) 。 表3 - - 1x 6 5 钢管化学成分( _ t ) i 钢材类型 chpsn bvt t ji x 6 s 第二级 本研究中，焊缝屈服强度与母材屈服强度相差很小( 不大于1 0 ) ，基本为等匹 配接头，因此不需采用该等级进行评定。 3 ) 第三级 根据母材和焊缝的真应力应变关系曲线( 图3 4 和图3 5 ) ，然后结合第三级的 评定方程方法可得到失效评定曲线如图4 - - 9 所示。 3 ，簟硝 母材失效评定曲线 b 第r 鼹埠辕失效评定曲线 4 2 2 参数的确定 图4 - ? 第0 级失效评定曲线 4 2 2 1 海底输油管道受力分析及缺陷类型 管道在铺设及运行过程中，由于传输介质的特殊性、周围环境的恶劣及复 杂性，管道焊接接头区受力复杂。对于铺设于海底的输油管道，受力情况有： 鼬， j j _ 。 第四章应用基于s i n t a p 方法的评定软件评定管道蚨骼 a ) 第一级母材失效评定曲线b ) 第一级焊缝失效评定曲线 图4 一s 第一级失效评定曲线 a ) 第三级母材失效评定曲线b ) 第三级焊缝失效评定曲线 图4 9 第三级失效评定曲线 ( 1 ) 铺设应力： ( 2 ) 由于海水冲刷与海底的不稳定情况使管道移动而引起弯曲应力； ( 3 ) 内压力引起的轴向及环向拉力： ( 4 ) 当管道跨越无支撑区域，且又有横向水流时，就产生涡流载荷，水流 交替地在管道后面的上部或下部形成涡流，促使管道移动而引起纵向交变应力。 综上所述可将上面受力情况简化为拉、弯载荷条件下的含缺陷管道受力模 型( 如图4 1 0 所示) ，即管道受力可以分解为一个平行于管道轴线的拉力分量n 及一个弯矩分量m 。 3 1 第四章应用基于s i n l a p 方法的评定软件评定管道缺陷 n ( m p 一 1 一 n ) m 图4 - 1 0 石油管道受力简化图 管道篪工过程中，由于外部条件恶劣，可能产生各种焊接缺陷和意外损伤， 从而影响结构安全。研究表明：含缺陷的焊接接头是管道系统的薄弱环节。管 道各种缺陷形式中，裂纹危害性最大。因此在管道缺陷评定中，一般将其他缺 陷当量化为等效裂纹来处理。 按照缺陷位置，管道缺陷主要有穿透缺陷、内表面缺陷、外表面缺陷和埋 藏缺陷。按照缺陷方向，管道缺陷主要有环向缺陷和轴向缺陷。在对工业管道 进行无损检测时，发现管道中的缺陷主要是对接环焊缝中的环向缺陷，故本文 只评定环向缺陷中表面缺陷和埋藏缺陷两种情况，对于穿透缺陷由于与“先漏 后断”有关，本文未作介绍。 4 2 2 2l r 的确定 本文主要是针对环向内表面裂纹进行评定，计算l r 时， , r ；生 量：1 2 生一! ! o y 露t 冗 f 口。矿秒s 万一1 1 万一护知 万一多j 式中：o m 为膜应力，角为管道截面上的中性轴与管道内圆相交所得弦对 应的圆心角的一半( 如图4 1 1 所示) ，口角为裂纹长度所对应的圆心角的一半。 根据c o o e c 提供的静态拉伸和弯矩等信息，可得到在铺设过程中不同水深 及水泥涂层厚度下的管材所承受的静态铺设应力如表4 1 所示。因此本文中取最 大值进行评定。因此取o m = 4 1 1 m p a 第四章应用基于s i n t a p 方法的评定软件评定管道缺陷 图4 - 1 1 缺陷位置示意图 表4 1 管材的静态铺设应力 壁厚 水泥涂层 材料型号 外径( 蛐水深( m )厚度 弯曲条件 轴向应力 ( 衄)p m ( m p a ) ( m 廿1 ) 7 31 0 0 拱弯 4 1 1 o 7 38 0拱弯3 8 2 9 7 31 0 0 垂弯 3 3 0 7 a p l 5 l x 6 5 2 21 2 75 51 2 0 拱弯 3 9 4