（材料加工工程专业论文）焊接管道“先漏后断”评定裂纹张开面积研究.pdf

摘要 随着我国工业技术和国民经济的发展，压力容器与管道被越来越多的运用到 能源运输、石油化工等领域，在工业生产中扮演着极其重要的角色，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也具有重要的现实意义。 考虑到压力容器和管道在断裂前会产生稳定泄漏的特点，目前国外最新标准采用 了“先漏后断”的观点对其进行安全评定。本文主要对“先漏后断”安全评定中 裂纹张开面积进行了探讨研究，为安全评定提供关键依据。 通过力学性能试验，确定了x 5 6 钢焊接接头的工程应力一应变及真应力一 应变曲线，并根据英国b s 7 4 4 8 试验标准，对其焊接接头进行断裂参量的测试， 得到x 5 6 钢焊缝和h a z 的c o d 特征值。同时通过疲劳试验确定了母材、焊缝 及热影响区的p a r i s 表达式，并得到疲劳裂纹门槛值。 针对管道结构，应用美国国家宇航局资助开发的疲劳裂纹扩展分析软件一 n a s g r o ，对表面裂纹在循环载荷下的疲劳扩展情况进行了研究，得到不同初始 形状的表面裂纹在拉伸、弯曲载荷作用下扩展、穿透和形状演化的基本规律；并 给出了表面裂纹穿透瞬间尺寸的确定方法以及得到穿透裂纹临界尺寸保守值的 计算方法。 根据s i n t a p 标准中的线弹性断裂参量一应力强度因子k 的计算方法推导出 裂纹张开面积的计算公式，同时与其他方法进行比较，得到精确度较高的计算方 法：依据弹塑性断裂力学理论，对s i n t a p 标准中考虑裂纹尖端塑性变形的裂纹 张开面积表达式与其他弹塑性模型进行了对比，分析各种方法的适用性和局限 性。 关键词：先漏后断，裂纹张开面积，疲劳扩展，穿透裂纹临界尺寸 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a li n d u s t r ya n de c o n o m y , t h ep r e s s u r ev e s s e l sa n d p i p e sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fe n e r g ys o u r c e s ，t r a n s p o r ta n dp e t r o c h e m i s t r y ， p l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r yp r o d u c t i o n i tm a k e sg r e a tm e a n i n gt oa s s e s s t h e i rs a f e t i e s n o w a d a y st h em a i na s s e s s m e n tm e t h o d ，c o n s i d e r i n gs t e a d yf l u i dl e a k b e f o r ef r a c t u r e ，i sb a s e do nl e a k - b e f o r e b r e a k t h ed i s s e r t a t i o na i m st on l a k er e s e a r c h o nc r a c ko p e n i n ga r e at os u p p o r tt h e “l b b ”a s s e s s m e n t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ee n g i n e e r i n gs t r e s s - s t r a i ng u l v e sa n dt h et h et r u es t r e s s - s t r a i n c u r v e s 锄七g i v e nb ym e c h a n i c a lt e s t a n dt h ec o dv a l u e s o fw e l dm e t a la n dh a za r e o b t a i n e da c c o r d i n gt ob r i t i s hs t a n d a r d ，b s 7 4 4 8 a n dt h ep a r i sf o r m u l ao fb a s em e t a l ， w e l dm e t a la n dh a za l ea l s og i v e nb yf a t i g u ee x p e r i m e n t s od o e st h et h r e s h o l ds t r e s s i n t e n s i t yf a c t o rr a n g eo f w e l d e d j o i n t f o rt h es t z u c t u r eo fp i p e ，f a t i g u eg r o w t hp r o c e s so fs u r f a c ec r a c ku n d e rc y c l e l o a di sr e s e a r c h e du s i n gt h es o f t w a r en a s g r o w ec a ng a i nt h er u l eo fg r o w t h ， t h r o u g hw a l la n ds h a p ed e v e l o p m e n to fs u r f a c ec r a c kw i t hd i f f e r e n ti n i t i a lg e o m e t r y u n d e rp u r et e n s i o na n db e n d i n gl o a d s i na d d i t i o n , t h em e t h o do fa s c e r t a i n i n gs u r f a c e c r a c ks i z ea n dt h ec o m p u t a t i o no fc o n s e r v a t i v ec r i t i c a lc r a c ks i z ea r ea l s op r o v i d e d l i n ee l a s t i cc o af o r m u l a , w h i c hb a s e so nt h ec o m p u t a t i o no fl i n ee l a s t i c f r a c t u r ep a r a m e t e ra n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ，i sd e d u c e da c c o r d i n gt o s i n t a p a n d i t so u t p u ti sa l s oc o m p a r e dw i t ho t h e rk n o w nm e t h o d s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t st h a t t h ep l a s t i c i t ya tc r a c kt i pi st oi n c r e a s et h eo p e n i n go ft h ec r a c ka n dt h e nt h eo p e n i n g a r e a sa r eg r e a t e rt h a nt h o s ei nl i n e re l a s t i cc a s e ，a v a i l a b l ea n a l y t i cm e t h o d sa r e i n v e s t i g a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：l e a k - b e f o r e - b r e a k , c r a c ko p e n i n ga r e a , f a t i g u eg r o w t h , c r i t i c a l s i z eo ft h r o u g h w a l lc r a c k 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，也不包含为获得墨童苤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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麟钟 签字日期：刀叮年文月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗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：鹤钟 导师签名： 撕1 观 签字日期： 叫年之月2 日 签字日期：乙哆年爻月之 日 天津大学硕士学位论文第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国工业技术和国民经济的发展，压力容器与管道被越来越多的运用到 能源运输、石油化工等领域，在工业生产中扮演着极其重要的角色f l 】。近年来我 国管道工业迅速发展，西气东输管道工程已顺利完成，中国海洋石油总公司还计 划用1 0 1 5 年时间建成沿海岸线管道，将南海一珠江三角洲经济区、东海一长江 三角洲经济区、渤海一环渤海经济区连接起来，管道总长估计在2 0 0 0 k m 以上【2 1 。 现代大型金属结构及长距离油、气输送管道由于材料成型、焊接及施工过程 中存在外部损伤和难以探察到的焊接微观缺陷，在一定服役环境和力学条件下， 这些缺陷就会成为裂纹的发源地，进而引起结构和管道局部或大范围破坏，造成 巨大财产和人员损失。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，产生缺陷。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，一旦管道从焊接接头处发生断裂，极易造成 突发性和灾难性事故。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。目 前我国大多数油气管道已进入事故多发期，油气管道的检测和评定的需求已日趋 迫切。 目前对焊接结构进行风险评估均是建立在“合于使用( f i t n e s sf o rp u r p o s e ) 原则基础之上，这一评定技术是以断裂力学、材料力学、弹塑性力学及可靠性系 统工程为基础，承认结构存在偏差和缺陷的可能性，在考虑经济性的基础上，科 学分析已存缺陷对结构完整性的影响，保证结构不发生任何已知机制的失效。因 此该原则为压力容器和焊接管线结构的设计、制造和安全使用提供了重要的依据 和强有力的手段。 我国在1 9 8 4 年以压力容器学会及中国化工机械及自动化学会的名义提出了 “在役压力容器缺陷评定规范”，简称为c v d a 8 4 1 6 1 ，其评定路线是采用c o d 设 计曲线方法，以断裂失效模式为依据进行安全评定。随着科学技术的发展和弹塑 性断裂力学的完善，我国在“九五期间在此领域又进行了广泛的研究，对原 c 、巾 a - 8 4 标准进行了大量的修改，重新编制了“在用含缺陷压力容器安全评定” 标准1 7 1 。该标准提出了对平面缺陷评定的三个级别，即简化评定，常规评定( 考 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 虑塑性失效) 和平面缺陷评定的分析方法，与c v d a 8 4 规范相比有了一定发展。 但这些评定方法都是建立在断裂评定基础之上，即以断裂失效作为失效模式。而 对于压力容器和管道等承压构件来说，经常存在结构在断裂之前首先发生稳定泄 漏的情况，我国在新、老标准中均未考虑这个问题，是其不足之处。国外一些最 新、最有影响的标准如英国的b s7 9 1 0 “金属结构中缺陷验收方法【8 】和欧洲共 同体提出的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 tp r o c e d u r e ) “结构完整性评定方 法”【9 】已经对此问题给予了重视，进行了一些相关研究，并在标准中提出了“先 漏后断 ( l e a k - b e f o r e b r e a k ，简写l b b ) 的评定问题。但是这些标准中只是以附 录的形式原则性的提出了一些条款，并且评定方法在很多如裂纹扩展的研究、裂 纹张开面积和泄漏速率的计算等方面存在很多不足之处，因此有待于进一步研 究。 鉴于以上情况，在国家自然科学基金委的资助下，本文主要针对压力管道， 如海洋油气管线在“合于使用”原则基础上，进行先漏后断评定裂纹张开面积的 研究，以填补国内在“先漏后断该领域的空白，为弥补国际上相关评定方法的 不足提供依据。根据我国国情，随着经济和生产水平的发展，石油化工生产装置 将向大型化、高效率的方向发展，生产设备将向低腐蚀、无泄漏的方向发展，长 周期运行将是生产企业今后努力追求的目标。因此对压力容器与管道进行“先漏 后断”的安全评定具有重大的经济效益和社会效益。 1 2 先漏后断( l b b ) 概述 1 2 1 先漏后断( l b b ) 概念 表面裂纹是压力管道中常见的一种缺陷，它的存在引起管道的失效形式主要 有两种，即爆破和先漏后断。先漏后断指的是表面裂纹穿透壁厚( 可以是厚度方 向的失稳穿透) ，内部流体发生泄漏，但壁面方向裂纹长度还有足够的安全裕度， 以利检测泄漏并及时停工，避免由于整体快速破坏而引起的灾难性事故发生l ) j 。 假设器( 管) 壁上有一表面裂纹，其初始长度为2 c ，初始深度为a ，为半椭 圆形。在外载作用下，裂纹分别沿长度和深度方向扩展。结构产生整体不稳定失 效的临界长度为2 c 口，裂纹穿透壁厚时的长度为2 c d l ，若2 c 吐l 两边取对数得到下式 l o g ( d a d n ) = l o g c + m l o g ( a k ) ( 2 - 4 ) 在双对数坐标系中取：x = l o g ( a k ) ，y = l o g ( d a d n ) ，如能求出一组( k ) f 和对应的 ( d a d n ) ，再利用线性回归绘制一条直线，此直线的斜率即为m ，代入上式就可以 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 求得c 。 试验是在红山l o 吨高频疲劳试验机上进行的。试验前将试样表面打磨光， 然后从切1 2 1 顶端开始画出间距为l m m 的刻度线，以便确定预制的疲劳裂纹长度 和记录裂纹扩展性能。在试验过程中逐一记录裂纹长度a i 及相应的载荷循环次数 n j ，其中裂纹长度a i 采用放大倍数为5 0 倍的读数显微镜监测。载荷循环次数n i 由 试验机自动显示。当裂纹扩展n ( o 6 - 0 7 ) w 时停止试验。试验时应力比r = 0 1 ，最 大载荷为2 1 5 0 k n ，加载频率为8 2 8 6 h z 。焊缝有效试样5 件，热影响区有效 试样6 件，母材有效试样5 件。试验中观察到，焊缝有效试样中裂纹扩展基本沿 着焊缝中心，穿透裂纹与试样对称平面的偏离均小于5 。；熟影响区有效试样中 裂纹扩展基本沿着热影响区中心，没有超出热影响区。 2 4 2 2 疲劳试验数据处理及结果分析 1 ) 绘制洲曲线 将试验过程中记录下的各组裂纹扩展长度a 和对应得循环次数n 在坐标纸画 出棚曲线，把a 作为纵坐标，循环次数n 作为横坐标得到一条曲线，母材试 件的口- 曲线见图2 9 ；焊缝试件的口- 曲线见图2 1 0 ；热影响区试件的口- 曲 线见图2 1 l 。 w , 堋o b - 2 002 01 1 0t 0 0啪 1 4 0 ， n c l y ( 1 矾 4 0 3 5 3 0 e 专2 5 2 0 1 5 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 0 n t a y ( ) 3 5 e 2 5 2 0 1 5 dl o o2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 n c l y ( 1 西 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 ot 0 0锄硼砑 眦碱1 而 图2 - 9 母材试件的a - n 曲线 e 量历 o 2 0 03 0 0 i y ( 1 回 0 1 0 02 0 0 04 0 05 6 0 07 0 0 喇1 0 a ) 4 0 0 1 0 0 2 0 03 0 0 眦i y ( 1 两 o1 0 0 蠲0a 4 0 05 0 06 0 0 删喊1 西 一1 0 001 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 蝴1 0 3 ) 图2 1 0 焊缝试件的a - n 曲线 1 6 辐 巧 帖 e e 毒 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 04 0 0咖1 加1 6 1 2 0 砌叹1 回 o1 0 02 0 03 0 04 0 0锄 拟1 确 02 0 0 4 0 06 0 0 e 0 0 眦m 1 两 01 ( 3 0锄3 3 0柚锄 m 堋回 01 0 0 加03 0 04 0 05 n o m i 呐 瑚05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 6 0 陬颤1 0 ，) 图2 - 1 1 热影响区试件的a - n 曲线 2 ) 七点递增多项式方法 根据试验得到的结果，采用g b 6 3 9 8 - - 8 6 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验 方法和美国材料学会推荐的七点递增多项式法【1 8 】求出d a d n ，然后确定应力强 度因子范围k 。这种方法是对a - n 曲线上任意的第i 个数据点( 最前三点和最后三 点除外) ，取其前后相邻的三个点，再加上第i 点本身共七点，采用最4 2 乘法对 它们进行局部拟合，来求裂纹扩展速率d a d n 。 局部拟合公式如下式为： a t = t o + 岛耳+ 6 2 耳。( 2 - 5 ) 式中：n i = ( n i c 1 ) q ： 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 c l = ( n i + 3 + - 3 ) 2 ；c 2 = ( f + 3 + n i 一3 ) 2 b 1 ，b 2 ，b 3 一按最d - - 乘法回归得到的系数 即一对应循环次数n i 的名义裂纹长度。 对上式拟合结果求导，得到对应n i 的疲劳裂纹扩展速率( d a d n ) i 如下所示 ( d a d n ) i = 岛c 2 + 2 6 2 ( - c , ) c 2 。 ( 2 6 ) 同时用对应n i 的拟合裂纹长度a i 计算与疲劳裂纹扩展速率d a d n 对应的裂纹 尖端应力强度因子范围a k 。z x k f q 标准紧凑拉伸试样应力强度因子公式确定： a k = 斋f ( a w ) ( 2 - - 7 ) r w l ，2 其中：卜载荷变化范围，艄。嗽p 曲； b 和w 叫式样厚度和宽度； 棚合裂纹长度； 侣 = 嵩务( 0 8 8 6 + 4 略) - 1 3 3 舻m 7 料一s 饼 协8 ) 按上述步骤，得到采用七点递增多项式方法处理的焊缝和热影响区及母材试样的 ( 6 k ) i 和( d a d n ) i 数据。 将以上所得的( k ) i 和( d a d n ) i 数据分别就母材、焊缝和热影响区的一组多个 试样进行回归分析，即对( k ) i 和( d a j d n ) i 分别取对数，将l o g ( a k ) i 取为x 轴， l o g ( d a d n ) i 取为y f q l ，画出l o g ( d a d n ) i 和l o g ( a k ) i 曲线，如图2 1 2 所示。 回归的结果得到是直线，从图中可以看出数据具有分散性，它们分布在一个 以上下直线为范围的一个分散带内，分别对应着c 值的上限q 和下限c 】，中间直 线对应的是5 0 存活率的曲线，上边为5 存活率，下边为9 5 存活率。 皇 z 罩 口 天津大学硕士学位论文 第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 董 邑 委 g 旦 e e z 罩 勺 a k m p am m 应 a k m p am m l 膻 图2 1 2x 5 6 钢焊接接头d e d d n k 曲线 2 4 2 3x 5 6 钢焊接接头的疲劳裂纹门槛值l ( t h 由以上数据确定出p a r i s 公式中的c 和m 值列于表2 岳2 8 中。 表2 - 6 母材d a d n 试验结果 擘材试样 c 5 0 存话丰 m c 9 5 存话丰c 5 存话丰 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 9 4 e 1 2 8 9 6 e 1 2 2 2 7 e 1 2 1 1 2 e - 1 l 3 0 8 3 1 7 3 7 2 2 9 6 3 2 5 1 2 2 e 1 17 2 8 e 一1 2 1 3 7 4 e 1 15 7 6 e - 1 2 3 1 9 e 1 21 6 2 e 1 2 2 7 1 e 14 6 4 e 1 2 1 7 6 e 118 1 0 e 1 2 整体拟合2 3 3 e 112 8 5 4 9 5 e 111 0 9 e 一11 1 9 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 按g b 6 3 9 8 8 6 金属材料疲劳裂纹扩展速率方法标准规定，采用单试样 逐级降载法确定疲劳裂纹扩展门槛值，试样采用标准推荐的紧凑拉伸试样 ( c t 试样) ，试样形状及尺寸见图1 。试验的程序是在疲劳试验中逐级降低载荷， 每级载荷下降率不超过1 0 ，仍须保持载荷比r 不变；在每级载荷作用下使aa 大于上一级的裂纹尖端塑性尺寸r v 的“倍，直至n = 1 0 6 时裂纹的裂纹扩展增量 不大于0 1 m m ；或者为提高测量疲劳裂纹的精度，可取n = 5x1 0 6 时裂纹的裂纹 扩展量小于0 0 5 r a m ；记录最后两级的裂纹长度a i 【、a i c 1 和对应载荷范围ap k 和 p k 1 ，将( a k 、a p k ) 和( a k - l 、p k 1 ) 代入式( 2 8 ) 分别计算最后两级k 和 k k 1 两个值。然后用公式( 2 - 9 ) 计算门槛值ak 也： a k 曲= i a k i a k ) 2 ( 2 - 9 ) 按照以上步骤对x 5 6 钢焊缝、热影响区和母材进行计算，取应力比r = o 1 。 其门槛值见表2 - 9 。 天津大学硕士学位论文第三章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 2 4 3结果分析 表2 - 9 焊接接头的疲劳裂纹门槛值酝结果 根据以上所得的c 和m ，我们可以得到反映d a d n 和k 关系的p a r i s 公式， 母材、焊缝及热影响区的p 蕊s 公式如下所示： ( 1 ) x 5 6 钢的母材的耐d n 和k 的关系( 5 0 存活率) a pp a r i s 公式如下： 豳d n = 2 3 3 x 1 0 1 1 f z x k ) 2 - 跖 ( 2 ) x 5 6 钢的焊缝的州d n 和k 的关系( 5 0 存活率) 即p a r i s 公式如下： d a d n = 9 5 5 1 0 1 3 ( k ) 3 甾 ( 3 ) x 5 6 钢的热影响区的d a d n 和k 的关系( 5 0 存活率) 即p a r i s 公式如下： d a d n = 2 8 0 1 0 1 3 f a k ) 3 鹪 从以上试验结果可以看出，母材部位的疲劳裂纹扩展速率高于热影响区和焊 缝的疲劳裂纹扩展速率，焊缝和热影响区的裂纹扩展速率相差不大。 ( 4 ) ) 【5 6 钢接头焊缝的疲劳裂纹扩展的门槛值为8 7 2m p a n l 沈；热影响区 的疲劳裂纹扩展的门槛值k 也为6 6 6 m p a m ，母材的疲劳裂纹扩展的门槛值 为3 2 1 m p a m 舵。焊缝和热影响区的裂纹扩展值将近母材的3 2 倍，可见， 母材的抗裂纹扩展能力不如热影响区和焊缝。 2 5 本章小结 本文通过试验确定了x 5 6 管线钢焊接接头的c o d 特征值，同时对x 5 6 钢焊缝 和母材及热影响区三部位的疲劳裂纹扩展速率d a d n 和疲劳裂纹扩展门槛值 k 曲进行了试验测定， ( 1 ) 应用英国b s 7 4 4 8 试验标准，确定了x 5 6 管线钢焊缝和h a z 的c o d 特 征值。从试验结果可以看出，h a z 的c o d 特征值( 0 3 2 4 m m ) 值略大于焊缝 的c o d 特征值( 0 3 0 8 m m ) 。 ( 2 ) 疲劳裂纹扩展速率d a d n 试验结果表明：母材部位的疲劳裂纹扩展速率高 天津大学硕士学位论文第二章x 5 6 管线钢焊接接头的断裂和疲劳性能测试 于热影响区和焊缝的疲劳裂纹扩展速率。焊缝的疲劳裂纹扩展速率p a r i s 表达式中 参数m = 3 2 5 、c = 9 5 5 1 0 0 3 ( 5 0 的存活率) ；母材的疲劳裂纹扩展速率p a r i s 表达 式中参数m = 2 8 5 、c = 2 3 3 x 1 0 1 1 ( 5 0 的存活率) ；热影响区的疲劳裂纹扩展速率 p a r i s 表达式中参数m = 3 4 8 、c = 2 8 0 x1 0 j 3 ( 5 0 的存活率) 。 ( 3 ) x 5 6 钢接头焊缝的疲劳裂纹扩展门槛值中k 曲为8 7 2m p a i n 崛；母材的 疲劳裂纹扩展门槛值中k 也为3 2 1 m p a r o l l 2 ；热影响区的疲劳裂纹扩展门槛值中 k 曲为6 6 6 m p a m “2 ，可见，母材的抗裂纹扩展能力不如热影响区和焊缝。 天津大学硕士学位论文第三章表面裂纹疲劳扩展特性 3 1前言 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 表面裂纹的疲劳扩展研究在压力容器和管道的l b b 分析中有着重要的意义。 表面裂纹穿透前和穿透后的长度是一个十分关键的参量。在u 强分析中，要求穿 透裂纹尺寸不低于可进行泄漏检测的最小尺寸，且不超过失稳扩展临界尺寸。裂 纹初始贯穿尺寸与泄漏监测尺寸、失稳临界尺寸的相对大小对l b b 分析有重要影 响【4 】o 对于压力管线，由于担负着气相和液相介质的动态输送，因而内压常常会在 较大范围内发生波动，导致缺陷的疲劳扩展行为【2 1 1 。尤其对于海洋石油工程结构， 长期处于海洋环境，一方面承受来自波浪力等海洋环境载荷的交变作用；男一方 面海洋环境腐蚀严重。这种结构多为焊接钢结构，焊缝处于高应力集中的“热点”， 不仅缺陷难避免，而且还存在残余应力，极易萌生裂纹，并且裂纹进一步扩展， 以致发生疲劳失效【2 2 1 。因而，疲劳失效是油气管道等承压结构的主要失效模式。 表面裂纹穿透时的长度一方面取决于表面裂纹韧带承载能力，另一方面决定 于表面裂纹扩展的几何特性，裂纹的疲劳扩展特性可由p a r i s 公式等来描述【2 3 】。载 荷类型以及初始裂纹长度与深度的比值等因素都会对表面裂纹扩展的形状产生 很大的影响。由于众多影响因素的存在，对裂纹扩展行为的模拟一直是一个比较 难的领域。关于平板中表面裂纹的疲劳扩展问题，已做了一些有价值的工作 2 4 2 5 1 。 相比之下，管道表面裂纹穿透的扩展则研究不多。 本文针对管道结构，应用美国国家宇航局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ，n a s a ) 资助开发的疲劳裂纹扩展分析软件一n a s g r o ，研究了 表面裂纹在循环载荷作用下的疲劳扩展过程，得到了表面裂纹在不同的初始形状 和不同载荷条件下扩展、穿透和形状演化的一些基本规律，并对影响裂纹穿透前 和穿透后疲劳扩展行为的因素进行了分析，为准确地计算裂纹张开面积，进行后 续l b b 分析提供了重要依据。 3 2表面裂纹穿透前扩展特性 假设初始表面裂纹为半椭圆形，裂纹长度和深度分别为2 c 和口，穿透时裂纹 天津大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 内表面和外表面尺寸分别为2 口l 和2 a 2 。如图3 1 所示。 纩邓j 型 l ， 0 、，v ) ) 。心型 、。 - 一， 图3 - 1 表面和穿透裂纹形状示意图 本节应用n a s g r o 软件对管道中环向表面裂纹穿透壁厚的扩展特性进行了 模拟计算。 3 2 1n a s g r o 软件简介 在断裂力学中，疲劳评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹，然后用断 裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始裂纹口i 到临界裂纹口进行积分，得出 裂纹的扩展寿命n 。如果疲劳寿命n 已经达到疲劳寿命，可是极限裂纹尺寸还没 有达到，那么该缺陷口i 可以接受，反之则不可以接受。b s 7 9 1 0 中给出了裂纹扩 展定律见图3 2 。+ l o g ( a k ) 图3 - 2 简单的p a r i s 疲劳裂纹扩展关系 一条线性关系曲线的形式足以适用于从, x k o 直到疲劳破坏的所有k 值，比如 p a r i s 和e r d o g a n 等定律。典型的疲劳裂纹扩展曲线分3 个区域：在第一个区域中 天津大学硕士学位论文第三章表面裂纹疲劳扩展特性 裂纹形成，但是不扩展，因为此时应力强度因子幅值低于门槛值；第二个区域是 裂纹稳定扩展阶段；第三个区域中裂纹失稳扩展，发生断裂。 n a s g r o 软件是美国国家宇航局资助开发的疲劳裂纹扩展分析软件，在该软 件中，裂纹扩展速率根据修改的f o r m a n 方程计算，方程形式【2 6 】为； 一d a ：c ( 1 - f ) a k ( 1 暑z 些认 h ) p ( 3 1 ) 刎( 卜r ) 一( 1 竺一) 9 。 ( 1 一r ) k c 式中c 、行、p f f i q 是材料常数，伪裂纹张开函数，r 为应力比，是极限应力强 度因子，战h 为应力强度因子的门槛值。a 为裂纹尺寸，n 为疲劳循环次数，a k = k m a x - - k m i n ，为应力强度因子范围。裂纹张开函数可写成： 厂：k o p ：m a ) 【( r ，只+ p l r + p 2 r 2 + g r 3 ) r 0 。 k 。 1 只+ 鼻尺 一2 r 0 其中：只= ( 9 8 2 5 一o 3 4 , 8 + o 0 5 , 8 2 ) 【c 。s ( 三s 眦c r o ) 】即 置= ( 0 4 1 5 0 0 1 7 , 8 ) s , 眦i g o 墨= 1 一p o 一只一只 必曲：a k 。t 4 - - t a n 一1 ( 1 一尺) 】( - 1 ，2 q 篇1 鲁( 一r ) ”【l 百三； 】9 天津大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 根据上述初始条件，对三种情况下表面裂纹的疲劳扩展行为进行了模拟计 算，扩展过程中的裂纹尺寸和试验测到的裂纹尺寸如图3 - 3 所示。 点 o a t 图3 3 管道疲劳试验中表面裂纹扩展模拟计算结果和试验结果对比 根据图3 3 可以看出，模拟计算结果与试验结果相吻合且误差均低于5 ， 在工程类计算误差允许范围之内。因此，可以应用n a s g r o 软件对疲劳裂纹扩展 规律进行研究。同时从图3 3 也可以看出，裂纹扩展的形状与裂纹初始尺寸比值 ( 裂纹深度与长度的比值a o c o ) 有关。 3 2 2 表面裂纹扩展特性 由于n a s g r o 软件具有很高的精确性，因此可以用其进行裂纹扩展的模拟计 算，从而可以避免复杂的试验过程【2 8 】。本小节模拟计算管道结构中环向表面裂纹 疲劳扩展过程中裂纹形状演化的一些规律。在裂纹扩展过程中，即使裂纹前缘的 初始形状为椭圆，在扩展过程中也会发生一些形状上的变化，其一是长度和深度 天津大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 比值的变化，其二是裂纹前缘的形状与椭圆形状有小的偏差。这些偏差主要取决 于裂纹前缘应力强度因子的变化，但是由于偏差不太，本文在裂纹穿透前把裂纹 前缘的形状近似为椭圆，应力强度因子也按椭圆形表面裂纹计算。 以下述管道为例，研究不同载荷条件和不同初始裂纹形状等因素对表面裂纹 疲劳扩展的影响。管道外直径为3 2 39 衄壁厚1 27 m m 弹性模量e = 20 7 x 1 0 5 m p a 泊松比v = o3 ，屈服强度和抗拉强度分别为4 1 5 m p a 和5 1 5 m p a ， 疲劳裂纹扩展速率为d a d n = 23 3 x 1 0 。1 1 ( a 拦) 2 “。初始裂纹为环向，深度轧= 2 2 r a m ，变化裂纹的初始长度，以形成不同的初始裂纹形状t 载荷类型为拉伸、 弯曲以及拉伸弯曲复合情况。n a s g r o 软件中管道和裂纹模型如图3 - 4 所示- e z 暑二l 一型 叵 ! 竺! l 剑 & ，g o i ! u 图3 4 管道和裂纹模型 试验得到的疲劳裂纹扩展速率是遵循p a d s 公式的形式，因此在裂纹扩展速 率常数输入时式( 3 一1 ) 中p 和q 均取0 。裂纹扩展速率常数和疲劳循环载荷 输入界面如图35 所示。 i 天律大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 单哑可亨手匡f 1 一 丑：等= = 喜 兰 图3 - 5 裂纹扩展速率常数和疲劳循环载荷输入界面 根据上述结果得到拉伸、弯曲以及拉伸弯曲复合载荷作用下，初始裂纹纵横 比“分别为1 0 ，0 8 ，o5 ，0 2 时，表面裂纹扩展情况，如图3 - 6 、3 - 7 和3 - 8 所示，n f 为由初始裂纹扩展为穿透裂纹的载荷循环次数。 图3 4 拉伸载荷作用下疰劳裂纹扩展情况 天津大学硕士学位论文第三章表面裂纹疲劳扩展特性 1 2 1 o o 8 o 0 6 o 4 o 2 1 2 1 0 0 8 里 o 6 0 4 0 2 0 40 6 n ，n f 图3 - 7 弯曲载荷作用下疲劳裂纹扩展情况 o 4o 6 n ，n f 图3 8 拉伸弯曲复合载荷下疲劳裂纹扩展情况 根据以上的计算结果可以看出，初始裂纹形状对裂纹疲劳扩展过程中形状演 化有明显的影响，而且尽管初始裂纹纵横比批。不同，但随着裂纹的扩展，最终 纵横比趋向于o 8 。对于浅长型裂纹( a o c o = o 2 ) ，在深度方向上的扩展较快，曲 线迅速上升：对于深窄型裂纹( a o c o = o 8 ) ，深度和长度方向上扩展速度相近， 天津大学硕士学位论文第三章表面裂纹疲劳扩展特性 即裂纹在扩展过程中保持与初始状态几乎相同的形状。但当初始纵横比进一步增 大( a o c o _ 1 0 ) ，裂纹横向扩展较快，曲线下降。同时比较图3 - - 6 ，图3 - 7 ，图 3 8 还可以发现，载荷的不同对裂纹贯穿的时间有显著差异，并不会对裂纹形 状产生明显影响。 3 3 表面裂纹穿透后的扩展特性 表面裂纹的疲劳扩展可以分为三个阶段【2 9 1 ，即穿透前扩展阶段、刚刚穿透后 的快速扩展阶段和内、外表面达到近似尺寸后的规则扩展阶段。其中，第一个阶 段所需的时间往往占据整个扩展寿命的大部分。 裂纹穿透后的扩展也可分为三个阶段。第一个阶段是刚刚穿透后，外表面尺 寸的扩展速度很快，而内表面的扩展速度较慢，称之为穿透初始阶段；接着，内、 外表面的扩展速度接近于常数，该阶段称为匀速扩展阶段；到一定尺寸后，扩展 速度再次增大，这是断裂前的加速扩展阶段。 在l b b 分析中，只需要结构发生失稳断裂时穿透裂纹的极限长度，而不需 要穿透裂纹扩展过程，因此这里只对裂纹在穿透后扩展过程当中形状变化做简单 描述。如图3 - 9 所示。 2 0 ， 歹慕孓￥毯黝 2 a ， 1 ) 短裂纹在弯曲载荷作用下穿透后的扩展 2 a ， llllilllil；li；i；2ij5；：；：!；：j形!。蠢；：；：；ji；i；iii：j；：i：ij!i：；i!坳 一 2 口；j j“l-j 2 ) 长裂纹在弯曲载荷作用下穿透后的扩展 天津大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 珍钐黝f ，厂、珍钐黝 2 a 1 。 3 ) 短裂纹在拉伸载荷作用下穿透后的扩展 2 a ， 黝垆一= n黝 2 a ， j l 4 ) 长裂纹在拉伸载荷作用下穿透后的扩展 图3 - 9 穿透裂纹扩展过程中形状变化示意图 穿透后的裂纹形状演化主要取决于刚刚穿透时的裂纹纵横比。由于穿透前裂 纹总向着大致相同的纵横比发展，初始形状差别很大的表面裂纹在穿透时有着相 似的形状，因此在穿透时的扩展基本上是相同的。计算结果表明，大多数缺陷穿 透后的扩展与初始纵横比没有多大的关系，达到内、外表面长度相同时的裂纹长 度也基本一致。 3 4裂纹穿透时的尺寸 确定穿透瞬间的表面裂纹长度是l b b 分析中一个十分关键的问题，涉及到 l b b 分析中裂纹张开面积和流体泄漏速率两个重要参量的确定。在n a s g r o 软件 中，裂纹每扩展一步程序要进行一次裂纹深度与壁厚的差值判断，并且考虑塑性 区的尺寸。如果裂纹深度与塑性区尺寸之和大于管道的壁厚，那么程序会给出提 示，并给出该循环下相应的裂纹尺寸。例如在3 2 节的计算中，a o c o = o 2 弯曲载 荷作用情况下，输出结果中提示( 如图3 1 0 ) ：循环到第二个载荷块时，裂纹深 度与屈服区尺寸之和大于管道壁厚。此后，程序按穿透裂纹进行疲劳扩展的计算。 夭律大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 一c 1 ” 22 55 5 口1 2 l 7 ，0 ：，1 2 ， t i d i 一_ - -1 ：7 i【。1 2 “_ z n - j c “* 1 2 o 一z 5 i ，5 一o7 s 二u 。” 剑刖 图3 1 0 结果输出窗口 3 s临界裂纹尺寸的确定 因为只有在穿透裂纹稳定扩展的时间超过能够检测到泄漏的时间的情况下， 才能进行l b b 分析。评定泄漏裂纹的稳定性主要根据裂纹扩展到临界值之间存 在的安全裕度和进一步扩展的可能性。这里含缺陷压力管道临界裂纹长度是以穿 透裂纹的临界长度进行定义的，这样定义前提是舍表面裂纹压力管道不发生灾难 性事故。 l 临界裂纹长度的计算，实际上是求失稳载荷应力的逆运算。由于在l b b 分析中，应用临界裂纹尺寸的下限值对结果是偏安全的，因此计算最差材料性能 和最复杂的加载条件下的极限长度是很重要的。”。本文采用s i n 瑚标准中的 初级评定来进行临界裂纹尺寸的求解。 s i n t a p - f a d 方法的一般方程形式为： 世，= ，0 ，j 采用一级评定时，其失效评定曲线方程根据材料有无屈服平台分为两种情况，无 屈服平台时方程分三段表述： 在0 工( ，化) ；h z ：弘阻”。- 心i ( 3 _ 2 ) 式中系数“可由下式估算 型一 -1， 叫_ 1 - 1 一 生 天津大学硕士学位论文第三章表面裂纹疲劳扩展特性 10 0 0 1 e c r o = 上l = m i n i 。l o 6 在l r l 处：在l r = l 处有一垂直下降线直至l r ( 1 ) ，在l r 1 时为曲线，采用下 式计算f ( l r ) ， 厂化) = 厂乜，= 1 ) 矽。1 ) 心 l r = l 时的l r ( 1 ) 值用式( 6 2 ) 计算，和严分别为： n ：o 3 ll 一旦i l c r 6j 矿= 圭降 失效评定曲线如图3 1 1 所示。 评定点坐标k ，为k ，k 。讲，工，为施加载荷f 与极限载荷目( 毋与屈服强度 有关，并且依赖于几何形状和缺陷尺寸) 的比值。如果点( l ，k ，) 在断裂评 定曲线定义的范围内，那么即可避免断裂的发生。相反，如果点( 工，k ，) 在 断裂评定曲线定义的范围以外，那么就认为该结构是不安全的。如图3 - 11 所示， 随着裂纹尺寸的增大，评定点的坐标值变大，也就越接近评定曲线甚至超出评定 曲线与坐标轴围成的范围。因此，如果评定点落在评定曲线上，那么与该点对应 的裂纹尺寸即为临界裂纹尺寸。 0 20 4 o 6 0 81 01 2 l r 图3 1 1 失效评定图 0 8 6 4 2 0 1 0 0 0 0 0 天津大学硕士学位论文 第三章表面裂纹疲劳扩展特性 3 6本章小结 本章针对管道结构，研究了表面裂纹在循环载荷作用下的疲劳扩展过程，得 到了不同初始形状的表面裂纹( a o c o = 0 2 1 o ) 在拉伸、弯曲以及拉伸弯益复合 载荷作用下扩展、穿透和形状演化的变化规律；并给出了表面裂纹穿透瞬间尺寸 的确定方法以及得到穿透裂纹临界尺寸保守值的计算方法；同时对影响裂纹穿透 前和穿透后疲劳扩展行为的因素进行了分析，为准确地计算裂纹张开面积和泄漏 速率从而进行l b b 评定提供重要依据。 天津大学硕士学位论文 第四章裂纹张开面积的确定 4 1 前言 第四章裂纹张开面积的确定 在l b b 分析中，裂纹的张开面积是一个非常重要的参量。重要性表现在两方 面，其一是裂