（材料加工工程专业论文）含表面裂纹的x56管线钢的j积分计算和安全评定.pdf

中文摘要 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能的焊接缺陷。 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。这不仅将结构的经济性纳入考虑的范围，而且为评定结构安全 运行提供了坚实的理论基础和试验验证。 本文以“合于使用”的思想为原则，依据欧共体提出的标准 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 ) ，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 海底管线钢进行安全评估。 在此过程中，我们首先对s i n t a p 标准进行了解和掌握。为了获 得进行安全评估所需的管道材料的性能数值，通过对焊缝金属和母材 金属进行力学性能实验的方式获得对应的拉伸力学性能，并通过j 积 分试验测定j r 阻力曲线确定热影响区和焊缝金属分别具有的断裂 韧度，根据相关的公式做出c d f 评定图，应用有限元软件a n s y s 模拟含表面裂纹的x 5 6 海底管线模型，并计算裂纹尖端的二维，积分 值。在完成上述任务的基础上，本文根据s i n t a p 标准的规定，通过 c d f 图对表面裂纹尺寸固定下的海底油气管道进行s 1 n t a p 的第五 级安全评估，相对与初级评定，保守性降低，体现了“合于使用”的 原则，为在铺设过程中进行的无损检测提供缺陷验收的一种方法。 关键词：x 5 6 管线钢，断裂韧度，积分，s i n t a p ，安全评估 a b s t r a c t a sak i n do f e n g i n e e r i n gs t r u c t m e ，t h es u b m a r i n e l i n eh a st h ea b r o a d a n di m p o r t a n t a p p l i c a t i o l l s w h i c ha l w a y si su s e dt od e l i v e r t h eo i ia n dt h e g a s a tt h es a m et i m e ，a sak i n do fw e l d e ds t r u c t u r e ，t h ew e l d e dj o i n to f t h ep i p e l i n ea l w a y sh a st h ei n e v i t a b l ew e l d i n gd e f e c t s w i 也t h ed e v e l o p m e n to ft h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e p e o p l eg r a d u a l l y u s et h ep r i n c i p l eo ft h e f i t n e s sf o ru s e ”t oa s s e s st h ei n f l u e n c eo ft h e w e l d i n gd e f e c t so nt h es t r u c 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 c t u r e s h o u l dn o tc o n t a i na n yw e l d i n gd e f e e t s t h i sm o v e m e n tn o to n l yt a k ei n t o a c c o u n to ft h ee c o n o m i cc o s to ft h es t r u c t u r e ，b u ta l s op r o v i d et h es t a b l e t h e o r e t i c a lb a s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nf o rt h es a f ep e r f o r m a n c eo f t h es t r u c t u r e t h i sp a p e ru s e st h ep r i n c i p l eo ft h e “f i t n e s sf o ru s e a n dt h e r e g u l a t i o no f t h es 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 ) t o m a k ea ne n g i n e e r i n gc r i t i c a la s s e s s m e n t ( e c a 、f o rt h es u b m a r i n e l i n e w h i c hi s d e v e l o p e db yt h ec o o e ca n di sl o c a t e db e t w e e l ll v s h u na n d d a l i 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 e g u l a t i o n sa n d t h et h e o r i e so ft h es d 眦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 e x 5 6p i p ea n dt h ew e l db yp e r f o r m i n gt h et e n s i l et e s t i n go ft h ew e l dm e t a l a n dn l ex 5 6p i p ea n do b t a i nt h ef r a c t u r et o u g h n e s so ft h eh a za n dt h e w e l dm e t a lb yd e t e r m i n i n gt h e 乒皿c u r eo ft h e m a f t e rt h a t w em a k e w i t hc d fd r a w i n gb yi n t e r r e l a t e df o r m u l aa n ds i m u l a t et h em o d e lo f x 5 6 p i p e l i n ew i t hs u r f a c ec r a c kb yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，t h e n ， w ec o m p u t ej i n t e g r a lo fc r a c kt i p a f t e rt h a t ，w ep e r f o r mt h ef i f t hl e v e l o fs d a pa s s e s s m e n tt op i p e l i n ew h i c hh a sf i x e ds u r f a c ec r a c ks i z eb y c d f d r a w i n g r e l a t i v i n gp r i m a r ya s s e s s m e n t , c o n s e r v a t i s mi sr e d u c e d ， a n de m b o d i m e n t st h ep r i n c i p l eo ft h e “f i t n e s sf o ru s e ，w h i c ho f f e rt h e b a s i sf o rt h ec h e e ka n da c c e p to ft h ew e l d i n gd e f e c tw h e nt h ej o i n ti s d e t e c t e db yt h en d t k e yw o r d s ：x 5 6p i p e l i n e ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，ji n t e g r a l ，s i n t a p ， s a f ea s s e s s m e 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己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘茔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；杈；歌翻签字日期：2 伽年1 月j i1 3 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茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘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；拟，双雨导师签名：枷配 签字日期：2 p 口年j 月f 歹e l签字日期：汹易年，月，6 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪言 1 1 引言 第一章绪言 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。自1 8 2 5 年美国宾西法尼亚铺设第一条输气管 道、1 8 7 9 年铺设第一条跨州输油管道开始，经过1 0 0 多年的发展，全世界大型 油气管道的总长度已超过2 5 0 x 1 0 4 o n ，并以每年5 0 0 0 0 k m 以上的速度增长。 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 7 0 、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 i l j 。 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 泄露或破坏等事故，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闭。1 9 8 9 年前苏联一条输气管道爆炸， 死亡3 0 0 余人，重伤8 0 0 余人，是迄今为止最大的一次管道断裂事故。据统计， 美国1 9 7 0 1 9 7 5 年间运行的管道共发生过2 5 4 9 次事故，其中断裂事故约占l 3 。 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。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。 i i w 早期对脆性破坏事故的调查显示：在6 0 起脆性破坏事故中，有9 起是 由于焊接缺陷直接引起的；美国对二次世界大战中船舶断裂事故表明：4 0 的事 故都与焊接缺陷有关1 3 1 。管道及压力容器的爆破泄露事故更常常与焊接缺陷相 连。因此在焊接结构发展的早期，为了防止失效，要求结构中不能有任何缺陷存 在，以此来避免任何事故的发生。但随着生产和科研的深入，人们发现这种方法 天津大学硕士学位论文第一章绪言 有很大的局限性。原英国焊接研究所所长e d g e r f u c h s 在实验中发现：铝合金焊 接接头中的大量气孔对接头强度无任何影响，而返修却会造成接头使用性能的下 降。大量的工程实践也表明：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【4 卯。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”的原则。 “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 实验、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t 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【6 7 朋，同时在保证评 定结构安全运行的前提下还考虑了经济性。 “合于使用”评定方法将缺陷的危险性分为：( 1 ) 不影响安全可靠性的缺陷 则允许其继续存在；( 2 ) 对安全性不造成危害，但缺陷在服役期间可能会继续扩 展，必须进行寿命预测，并允许在监控下使用；( 3 ) 影响安全可靠性，但是如果 构件降级使用可以保证安全要求，则可降级使用；( 4 ) 对含有对安全可靠性构成 威胁的缺陷的构件，应立即采取措施，进行返修或停止使用【9 】。 “合于使用”的原则明确承认焊接结构具有构件形状差异、材料性能偏差和 缺陷存在的可能性，但在应力分析、断裂力学分析、材料实验、质量检查和无损 探伤等科学研究的基础上，要保证结构不发生任何已知机制的失效事故。 “合于使用”的概念的确立，以及“合于使用”的原则在工程上的应用，是 与工程实践的深入尤其是断裂力学的发展完善密不可分的。而作为“合于使用” 原则在工程上的应用，缺陷评定方法的发展更与断裂力学有着非常紧密的关系。 1 2 表面裂纹问题的研究进展 三维裂纹问题的难点、重点和当前研究的前沿是表面裂纹问题，至今仍是对 断裂力学工作者的挑战性课题【i o j 。 1 9 6 2 年i r w i n 提出了第一个表面裂纹近似橱 i l ”，标志着此项研究的开始。 1 9 7 2 年跏8 硼耐”1 编辑出版了第一次表面裂纹专题国际会议文集，内容涉及表面 裂纹的物理问题、力学模型、断裂准则、计算方法等，表明问题进入全面分析研 究阶段，但在这个阶段结果还互不统一到1 9 7 9 年n e w m a n 掣”】对表面裂纹的 天津大学硕士学位论文第一章绪言 线弹性问题发表了近万自由度的三维有限元结果，并得到光弹试验的验证，因而 得到了普遍承认。a s t m e 7 4 8 8o 【“1 等工程规范或手册相继采用了他们提出的公 式，表明工程界已接受他们的研究成果，也表明表面裂纹线弹性问题的研究已趋 于成熟。目前主要的研究工作是探索工程上更简单实用的分析方法，以便于将其 应用到各种含缺陷结构的安全评定中去“。 在表面裂纹的弹塑性分析中，积分是最常用的断裂参量，尽管它的提出距 今已有3 0 麦年的历史，但相对三维，积分无论是定义还是计算，都仍是一个值 得研究的课题。 对于三维断裂问题，无论是理论研究还是实际工程应用，分析计算方法都十 分关键，因此必须大力进行分析计算方法的研究。从目前的情形看，几乎没有获 得严格解析解的可能性，精确分析首推有限元法。即：采用有限元软件a n s y s 进行模拟计算，有限元方法可以解决不同的裂纹形状，并对裂纹面单元进行特殊 处理及考虑应力奇异性。目前采用三维有限元来计算表面裂纹的l ，积分，技术上 已经成熟，是目前最有效也是最可靠的方法。 1 3 安全评定的准则与要求【5 9 1 1 3 1 安全评定的一般原则 根据2 0 0 4 年中华人民共和国的最新国家标准，安全评定应包括对评定对象 的状况( 历史、工况、环境等) 、缺陷检测、缺陷成因分析、失效模式判断、材 料检验( 性能、损伤与退化等) 、应力分析、必要的实验与计算，并根据本标准 的规定对评定对象的安全性进行综合分析和评价。 1 3 2 失效模式判别 1 ) 失效模式的类型 本标准考虑下列类型的失效模式： 断裂失效； 塑性失效： 疲劳失效； 2 ) 失效模式的判断 判断失效模式应依据同类压力容器或结构的失效分析和安全评定案例与经 验、对被评定的压力容器或结构的具体的制造和检验资料、使用工况以及对缺陷 的理化检验和物理诊断结果，且对可能存在的腐蚀、应力腐蚀、高温蠕变环境等 天津大学硕士学位论文 第一章绪言 对失效模式和安全评定的影响也应予以充分地考虑。 1 3 3 安全评定方法的选择 安全评定方法的选择应以避免在规定工况( 包括水压试验) 下安全评定期内 发生各种模式的失效而导致事故的可能为原则。一种评定方法只能评价相应的失 效模式，只有对各种可能的失效模式进行判断或评价后，才能作出该含有超标缺 陷的容器或结构是否安全的结论。 1 3 4 安全评定所需的参考资料和基础数据 1 ) 安全评定所需的参考资料有： 压力容器制造竣工图及强度计算书；， 压力容器制造验收的有关资料，包括材料数据、焊接记录、返修记录、 无损检测资料、热处理报告、检验记录和压力试验报告等； 压力容器运行状况的有关资料，包括介质情况、工作温度、载荷状况、 运行和故障记录及历次检验与维修报告等。 2 ) 安全评定所需的基础数据有： 缺陷的类型、尺寸和位置； 结构和焊缝的几何形状和尺寸； 材料的化学成分、力学和断裂韧度性能数据； 残余应力。 1 4 安全评定中的基础工作 1 4 1 缺陷检测 应根据安全评定的要求，对被评定对象可能存在的各种缺陷、材料和结构等 合理选择有效的检测方法和设备进行全面的检测并确保缺陷检测结果准确、真 实、可靠。 对于无法进行无损检测的部位存在缺陷的可能性应有足够的考虑，安全评定 人员和无损检测人员应根据经验和具体情况作出保守估计。 天津大学硕士学位论文第一章绪言 1 4 2 应力分析 应力分析应考虑各种可能的载荷，并根据具体失效模式的安全评定需要和评 定方法，采用成熟、可靠的方法计算评定中所需的应力。 1 4 3 材料性能的测试和性能数据的获得 材料性能的测试和性能数据的获得应按有关标准和本标准附录b 的规定。 应充分考虑材料性能数据的分散性并按偏于保守的原则确定所需的材料性能数 值。 1 4 3 1 所需的材料性能数据 1 ) 力学和物理性能：屈服点o “或条件屈服强度oo 2 ) 、抗拉强度ob 、弹性模量 e 等表征材料力学性能和物理性能的参数。 2 ) 断裂韧度；简化评定需要c t o d 断裂韧度( 6 。或6 i ) ，常规评定需要，积分 断裂韧度( j k 、j c ) ，分析评定还要求获得包括t ，迁的整条j r ( ao ) 阻力曲线。 1 4 3 2 确定材料性能数据的原则 1 ) 评定中应优先采用实测数据。在无法获得实测数据时，经有关各方协商，在 充分考虑材料化学成分、冶金和工艺状态、试样和试验条件等影响因素且保证评 定的总体结果偏于安全的前提下，可选取代用数据。 2 ) 实测数据所用的试样尽可能取自被评定缺陷部位的材料，也可取自在化学成 分、力学性能、冶金和工艺状态以及使用条件等方面能真实反映缺陷所在部位材 料性能的试板。 3 ) 断裂韧度实测试样中的裂纹面和裂纹扩展方向应同被评定结构中的情况一致， 也可选取能获得该材料最低断裂韧度数据的其他取样方法。对取自热影响区的试 样；应考虑裂纹尖端所在部位组织结构类型和晶粒尺寸等的影响。 天津大学硕士学位论文第一章绪言 1 5 焊接评定方法综述【1 7 吲1 1 5 1 采用k 准则的缺陷评定方法 采用k 准则的缺陷评定方法是以k 准则为基础，将缺陷处的应力强度因子 置，与断裂韧度足，相比较，若k ， k ，则裂纹起裂扩展，反之则为安全。这种方 法是建立在线弹性断裂力学基础上，只适用于裂纹在启裂扩展前，在裂尖只有很 小的塑性区的情形。在实际情况中，只有在高强钢厚壁容器或低温的条件下才可 能出现。但对焊接结构中大量采用的中低强度钢而言，线弹性断裂的情形并不多 见，这就限制了x 准则的有效应用。 1 5 2 采用c o d 准则的缺陷评定方法 采用c o d 准则的缺陷评定方法是以c o d 参量为基础，将缺陷处的裂纹张 开位移占i 和占i c 相比较，若8 t 8 l c 裂纹要起裂扩展，反之则为安全。 国际焊接学会( i i w ) 于1 9 7 5 年提出的“按脆性失效观点评定焊接缺陷危 害性的建议方法”是较早采用c o d 准则进行评定的规范。这个规范的特点是采 用曲线的形式，即著名的c o d 设计曲线方法。该曲线的横坐标为e l e 。，纵坐 标为8 1 2 用e 朋，分别为无量纲化的应变和裂纹张开位移。评定时，计算出评定点 的坐标，若评定点位于设计曲线之下为安全，位于设计曲线之上则为失效。评定 曲线在设计的时候就已经包含了安全系数。曲线前半部分的安全系数为2 ，后半 部分的为2 5 。 该曲线是一条以实验为基础的半经验设计曲线，在一定程度上能够反映实际 情况，因此在一些国家( 比如英国) 和组织( 如国际焊接学会1 1 w ) 曾经得到过 广泛的应用，尤其在防止焊接结构因缺陷引起脆断的问题上发挥了较大的作用。 但由于c o d 理论固有的弱点，c o d 参量并不能直接精确的表征裂纹尖端的 弹塑性应变场，作为一种半经验的方法在应用过程中也存在不符合实际情况的地 方。因此要精确的评定焊接缺陷，这种方法还存在不足的地方。 1 5 3 采用，准则和失效评定图( f a d ) 技术的评定方法 随着断裂力学的发展和计算机技术的日益成熟，根据，积分断裂参量而产生 的计算方法，无论是在理论上还是在实验研究中都被广泛采用。以脆断为失效准 则和以c o d 为断裂参量的评定准则，已逐渐被以- ，积分为断裂参量的弹塑性断 天津大学硕士学位论文第一章绪言 裂评定规程所取代。 j 积分是一个定义明确，理论严密的参量，能准确的描述裂纹尖端的弹塑性 应力应变场的情况，因此采用，积分参量的评定方法与足参量和c o d 参量的评 定方法有不可比拟的优越性。 1 9 8 1 年t u r n e r 最早提出了，积分设计曲线t 2 2 ，1 9 8 5 年英国焊接协会以报告 的形式发表了“以c o d 准则为基础的弹塑性断裂评定方法瞄p ，在该方法的高 级评定中已将，积分公式考虑进去。 采用，准则和失效评定图f a d ( f a i l u r e a s s e s s m e n t d a g r a m ) 技术的评定方法 中最典型的代表是英国中央电力局c e g b 的r h r 6 t 2 4 l “含缺陷结构完整性评定 方法”。f a d 的概念最早也是由英国中央电力局提出，并于1 9 7 6 年提出了r 徂1 1 6 标准( 简称r 6 准则) ，1 9 8 6 年又公布了该标准的第三版，对旧r 6 标准做了彻底 修改。即英国c e g b 新r 6 标准代表了f a d 技术的发展。此外a s m e 锅炉压 力容器规范第卷中的i w b 一3 6 5 0 及附录c 奥氏体管道缺陷评定准则和 i w b 一3 6 5 0 及附录z i ，对应于由于二次应力超 过弹性估计值而导致塑性情况下，积分值的变化。反过来，v i ，对应于二次应 力的塑性松弛；v = 0 ，表示二次应力忽略不计。 ( 4 ) 一般地，断裂韧度数据是从深裂纹弯曲试件中得到，然而在膜应力加载 时经常以浅裂纹形式评定。前者认为是高约束，而后者是低约束。在结构评定中 使用高约束数据可能过于保守，因而s i n t a p 程序阐述一种计算约束等级的方 法。它以裂纹尖端的弹性二应力或超静态9 应力为形式，然后修改f a d 或c d f 方法以考虑其效果。在s i n t a p 方案中已提出了q 对表面缺陷的处理方法，并 且能使该约束方法应用到实际。 ( 5 ) 在r 6 评定方法的基础上概括了形成“先漏后断”情况的步骤，同时又 包括了局部穿透裂纹扩展的分析。 ( 6 ) s i n t a p 给出了可靠性评定方法及其相应软件p r o s i n t a p 3 9 1 ，采用 m o n t ec a r l o 数学模拟及近似的一阶可靠性过程( a p p r o x i m a t ef i r s to r d e rr e l i a b i l i t y r o u t i n e s ) o 2 1 2 分析等级的划分 s i n t a p 标准共有3 个标准等级，3 个高级等级。每一个等级都比前一个等 级的保守性低，这种结构意味着在一个等级中不能被接受的结果在更高的等级中 可能变成可以接受的。s i n t a p 程序中每个等级的选择如表2 1 所示。 由表2 一l 可以看出，分析等级的特征是由材料抗拉数据的详细程度来决定 的 椰j 。例如： 第一级基础：仅仅需要知道材料的断裂韧度、屈服强度和最终抗拉强度。 函数f ( z o 包含从r 6 和e t m 中得到的信息，并作了简单的修改来保证f a d 和 c d f 评定方法的一致性，同时为有和没有l t t d e r s 平台的材料提供了不同系列的 评定方程。 第二级匹配问题：该等级针对第一级中的不均匀材料，如焊缝强度不匹 配焊件。它是以r 6 和e t m - m m 为基础的。 第三级全应力应变关系：该先进的标准等级等同于1 t 6 的选择2 ，该等 级需要材料的韧度数据和全应力应变关系曲线。它是以e t m - m m 和r 6 为基础 的。 在一、二等级中，f ( l r ) 方程的产生是在不知道全应力应变曲线的情况下对 天津大学硕士学位论文第二章s i n t a p 的断裂评定方法 材料抗拉性能的保守性估计为基础的。但通过全应力一应变曲线可得到更准确、 低保守性的结果。在这种情况下，应力一应变曲线的每一个细节都被准确地表示。 表2 一l 根据拉伸数据选择分析等级h l 】 2 1 3 各分析等级中的基本方程 1 、第0 级( d e f a u l tl e v e l ) ：在仅可得到材料值和4 值时使用。 ( 1 ) 无屈服平台的连续屈服材料的失效评定曲线为： l 处的厂( t ) 是非常保守的。 规定严取值为： 矿= 喇 ( 2 9 ) ( 2 ) 无屈服平台材料的失效评定曲线，也分三段表述 桃w ，旭) = h p 弘灿7 唧( - 心) 】( 2 - - 1 0 ) 式中系数可由下妄雠= 呻0 6 0 忸( 2 - - 1 1 ) 在i 1 处；在= l 处有一垂直下降线直至( 1 ) ，在 1 时为曲线，采用下 天津大学硕士学位论文第二章s i n t a p 的断裂评定方法 式计算厂( ) ： ，也) = y ( l ，= 1 ) 。) 股”( 2 - - 1 2 ) l = 1 时的值用式( 2 - - 1 0 ) 计算。 和矿分别为：n 3 1 1 一! 哇i ( 2 1 3 ) lj 矿2 乱警j ( 2 - - 1 4 ， 3 、第2 级( m i s m a t c h l e v e l ) 【4 3 】 和第1 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 ) 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 ) 中的值和n 值应改用不匹配时的值，o 和 ，不匹配焊缝 接头的以，取值，取决于母材及焊缝的值( a 。和，) ，不匹配焊缝接头的塑性 屈服载荷，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e 亨。 砌= 叫瓦瓦习尝番砾叫 c 2 1 5 ) 砌2 衄n 【瓦刀i 而荔丽i 了丽石0 丙j ( 2 一 定义焊缝屈服强度a 碲与母材屈服强度d b 之比值m 为强度不匹配因子，则： 不匹配焊接接头的 ，可由式( 2 1 7 ) 求得： ( 2 1 6 ) 脚= 曲卜，尝，嘶鲈衄卜，苦0 6 刀 式中： n | = 0 3 ( 1 一, 0 7 1 1 i 口。 蜥= o 3 ( 1 一乃r ，吒力 r 2 - - 1 8 ) 矿= 扣尚 ( 2 ) 焊缝及母材均具有屈服平台时( g g - 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，l l p 式( 2 - 3 ) 、 ( 2 - 4 ) ，( 2 - 7 ) ，但式( 2 - 4 ) 中的五应用乙代替，式( 2 - 7 ) 中的用心代替。 天津大学硕士学位论文第二章 s i n t a p 的断裂评定方法 钆：堕堡坐掣筝逊( 2 - - 1 9 ) 2 。面j 广 式中； 护。考 ( 1 旦i o o o ) 1 酬+ o 。刃割 ，一矧 ( 2 - - 2 0 ) 截止线p “值仍梭式( 2 一1 8 ) 计算。 ( 3 ) 焊缝或母材之一具有屈服平台时( 第三种情况) 在l l 处：按第二种情况一样的办法对待。 4 、第3 级( s t r u m - s w 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，( ) ，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： 叫鲁+ 矧彤恪+ 别 c 2 呦， 其中参考应力口一；l r ，参考应变g 呵为在材料的单向拉伸真应力- 应变关 天津大学硕士学位论文第二章s i n t a p 的断裂评定方法 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 ) ，但仃。、占。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盯一占。关系曲线，它是根据塑性极限载荷相 等的原则求得的，当然和母材的盯。一岛关系、焊缝的，一句关系、不匹配因子 及及有关。6 e 的塑性部分( 塑性应变郎) 与仃。的关系仃。b ) 为： 巳蚪虹墅监蝗等五幽f 2 _ 2 4 1 式中吒、盯，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、焊缝口，一占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 ( ，) ，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。 肘g ) = 矧 ( 2 2 5 ) 并且式( 2 - 2 4 ) 中的，k 值也应该是在这些m ( 占) 下的值。这时当量 屈服应力d k 、当量流变应力仃。及三分别定义为： 咿甍。m 珏单一 ( 2 2 6 ) p ：旦 这里占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 c a 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。按断裂韧度标准测试方法测试试件必须要有足够尺寸以保证获得最低的平 面应变断裂韧度值，而实际工程构件缺陷往往是很浅的，只有较低的拘束度，显 然如能按实际拘束度的断裂韧度来进行评定可以降低评定的过保守度，但是要求 有附加的测试数据。 这是在著名的，一q 理论基础上发展起来的种方法。引入了无因次拘束参 量以描述裂尖静态应力q 。或用平行裂纹的弹性应力r 来描述口参量。评定时 天津大学硕士学位论文 第二章s i n t a p 的断裂评定方法 f a d 及以的计算均要作相应的修正，由于篇幅有限，这里就不作进一步地介绍 了。 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，积分 4 4 , 4 s 1 ，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。实际上第5 级只被用来作为验证各低级方法的工具， 并不是适用于工程评定的方法。严格的有限元计算，积分已为大家熟知，s 斟t a _ p 也没有作详细介绍。 本文主要研究第五级的，积分计算及其对应的高级评定。对应的评定方程 为： k 气联) 4 8 f o r 0 厶工，埔“( 2 - 2 7 ) 其中三严峰口k 根彬 ( 2 2 8 ) 心为屈服强度，j k 为抗拉强度。 7 ，第6 级( 厶珏) 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 4 6 , 4 7 1 。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。由于穿透前或穿透后裂纹会不会撕裂失 稳的评定过程和胄6 第3 版相同，不过是根据具体情况选用前面几级中的某一失 效评定曲线进行评定，因此这里也不再作详细介绍了。 2 2 f a d 图和c d f 图 s i n t a p 标准包括f a d 图和c d f 图两种评定方法。这两种方法的基础都是 只要结构承受的载荷不超过断裂力学标准和塑性极限分析定义的最大载荷，就可 以避免失效。断裂力学分析包括具有止裂性能的裂纹尖端的载荷的对比。在大部 分情况下裂纹尖端的载荷必须用弹塑性概念估计，并依靠结构形式，裂纹的尺寸 和形状，材料的拉伸性能和载荷。在f a d 方法中，裂纹尖端驱动力和材料的断 裂韧度进行对比，同时，施加的载荷和极限塑性载荷进行对比。在c d f 方法中， 画出裂纹驱动力，并直接和材料的断裂韧度对比。f a d 和c d f 两种方法都是以 弹塑性为基础，通过用弹性参量可以简化它们的应用。 天津大学硕士学位论文第= 章s i n t a p 的断裂评定方法 2 2 if a d 图评定方法 根据两个参量墨和工，定义失效评定图f a d 。这两个参量可以用好几种方法 定义，如下所示： 耳：施加的线弹性应力强度因子蜀和材料的断裂韧度j 【。的比率。 l ：旄加的应力和含裂纹结构的塑性屈服应力之间的比率。 s i n - t a p 方法的标准等级仅只依靠材料的拉伸性能通过公式2 2 9 ： 髟= ，( ) ( 2 2 9 ) 并包括截止线方程厶= z ，。 用f a d 方法时，必须计算出在一定载荷条件下，一个或一系列评估点的横、 纵坐标 t ，e ) ，然后在f a d 图中与失效评定曲线进行对比。如果评定点落在失 效评定曲线上或其包围的范围内，则缺陷就是可以接受的，否则，缺陷不可接受。 具体示例如图2 1 所示。 图2 1f a d 评定曲线示例图 天津大学硕士学位论文 第二章$ i n t a p 的断裂评定方法 2 2 2c d f 图评定方法 c d f 方法需要计算裂纹结构的裂纹尖端的驱动力作为厶的函数。裂纹尖端 驱动力可以，的形式计算，如公式( 2 3 0 ) ，或者以裂纹张开位移的形式计算， 如公式( 2 3 1 ) ，= 也l 厂( ) r 2 万= 皖叭) r 2 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 其中 以= 砰，e e 是杨氏模量；坑= 群e 足置是材料的塑性屈服强 度。 用c d f 方法时，对基本的分析，当尹时，用的函数画出c d f 图， 在c d f 值等于材料的断裂韧度处画出一条横线，这条横线与c d f 曲线相交处定 义了的极限情况。根据评定时的载荷条件下计算的值画出一条竖线。通过 和极限情况的对比，这条竖线和c d f 曲线的交点定义了评估情况。具体示例如 图2 2 所示。 岔 山 口 u 鼬 b 夕 k y 1 l q a ) l r ( b ) ic ) 图2 2c d f 评定曲线示意图 天津大学硕士学位论文第二章s i n ：r a p 的断裂评定方法 2 3 本章小节 本章主要介绍了目前基于“合于使用”原则评定方法的基础s 烈t 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；并详 细介绍了用f a d 图和c d f 图评定的两种失效评定方法，为以后的评定研究奠定 基础。 天津大学硕士学位论文第三章x 5 6 管线钢安全评定中的输入数据与参量 第三章x 5 6 管线钢安全评定中的输入数据与参量 在第四章的安全评定中，在用有限元软件a n s y s 模拟海底管道模型和计算 二维，积分之前，需要掌握所评定的材料一x 5 6 海底管线钢的一些性能，其中包 括力学性能，断裂韧度等。 中国海洋石油总公司渤海石油公司( c 0 0 e c ) 所开发的旅顺至大连间海底 石油传输管线位于中国渤海湾，长度约为5 9 2 公里，最大水深3 3 米左右。在管 线铺设过程中的无损检测要求遵循d n v 远洋标准“远洋管线系统”j 4 明，在此基 础上，决定管道中可能存在的缺陷的可接受标准。因此本次针对中国海洋石油总 公司渤海石油公司( c o o e c ) 所开发的旅顺至大连间海底石油运输管线在铺设 过程中出现的缺陷进行安全评定。为了达到此目的，必然要求得到所使用的材料 的性能值。因此针对所使用的a p l 5 l x 5 6 高强度海底管线钢，通过大量试验研究 了x 5 6 海底管线钢焊接接头的力学性能和断裂韧度。 3 1 管道设计数据 在分析中，我们首先对由c 0 0 e c 提供的各种材料数据进行了分析整理，从其 中找出在评定分析中涉及到的关于管道的设计数据。例如： 名义外直径( 埘m ) ： 名义内径( 脚m ) ： 名义管道壁厚( 聊m ) ： 水深： 3 2 焊接工艺参数 3 2 3 9 所月q 2 9 8 5 砌 1 2 7 历厅l o 3 1 1 埘 c 0 0 e c 对于管道环缝的焊接使用半自动的焊接技术。对于壁厚为1 2 7 m m 的 管道使用6 层焊道完成，打底焊缝使用g i l a 霄t 艺进行，其余焊缝使用f c a 胃工艺 进行焊接，盖帽焊缝由两层焊道( 5 层和6 层) 完成。g m a w 中使用直径为1 2 m m 的j m - 5 8 焊丝，f c a w 中使用直径为2 0 m m 的n r - 5 8 焊丝。焊接准备过程和焊 接工艺参数的详细数据在焊接工艺记录中给出，这里不再赘述。 天津大学硕士学位论文第三章x 5 6 管线钢安全评定中的输入数据与参量 3 3x 5 6 钢力学性能试验 3 3 1 试验材料 对x 5 6 钢所进行的力学性能试验所用材料为外径= 3 2 3 9 m m 的焊管，壁厚 t = 1 2 7m m ( 0 5 岫，材质为a p i5 lx 5 6 ，其化学成分如表3 - l 所示( 摘自a p is p e c5 l 管线钢范围) 。 表3 - - 1x 5 6 钢管化学成分( w f ) 钢材类 c p sn b v t i 型 ) f 5 6 p “时，( ) = 0 ( 4 1 4 ) 其中，z 芦= 1 + ( 1 5 0 耳) 2 5 ，月。是材料的屈服应力，单位是m e a 。 对于x 5 6 钢，由第三章的拉伸试验结果可以得出，对于x 5 6 海底管线钢 环焊缝焊接时，焊缝和母材均有屈服平台，因此八) 取第一种情况，并把 八，) 带入式( 4 7 ) 。 假设管道承受的轴向载荷由0m p a 逐渐增大到焊缝的屈服强度 吒= 4 1 7 5 m p a ，则对应的也逐渐增大，把已知参量带入j 积分公式，得出 一系列j 积分值。 4 、确定评定曲线 由第三章的试验结果 l ?