（材料加工工程专业论文）x56海底管线的eca评估.pdf

摘要 海底管线作为种工程结构，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实验验证。 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 旅顺至大连间海底石油传输管线x 5 6 海底管线进行e c a ( e n g i n e e r in g c r i t i c a la s s e s s m e l l t ) 评估。 在此过程中，我们首先对b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 标准进行了解和掌握，并 自主开发断裂评定软件。为了获得进行e c a 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c t o d - r 阻力曲线确定热影响区和焊缝金属分 别具有的断裂韧性。在完成上述任务的基础上，本文依据b s 7 9 1 0 标 准的规定，对处于不同位置处的不同类型裂纹进行相应级别的评定， 通过迭代计算，得到在铺设过程中可以接受的焊接裂纹的极限和允许 尺寸，为在铺设过程中进行的无损检测提供缺陷验收的依据。 关键字：管线钢；断裂韧性；b s 7 9 1 0 ；e c a 评估 a b s t r a c t a sak i n do fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r 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 ta p p l i c a t i o n s ，w h i c ha l w a y si su s e dt od e l i v e rt h eo i la 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 t ht 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 u 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 c 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 e o ft h es t r u c t u r e t h i s p a p e ru s e s t 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 eb s 7 9 1 0 ：1 9 9 9t om 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 ew h i c hi sd e v e l o p e db yt h ec o o e ca n di s 1 0 c a t e db e t w e e nl v s h u na n dd 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 eb s 7 9 1 0a n dm a k et h ea s s e s s m e n ts o f t w a r e t h e n ，w e o 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 ea n a l y s i so ft h et e n s i l e a n dy i e l ds t r e n g t hv a l u ew h i c hi so b t a i n e df r o mt h em i l lc e r t i f i c a t e s ， o b t a i nt h et e n s i l ep r o p e r t yo ft 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 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 g h n e s so ft h eh a za n dt h ew e l d m e t a lb yd e t e r m i n i n gt h ec t o d - rc u r eo ft h e m a f t e rt h a t ，w ep e r f o r m t h er e l e v a n ta s s e s s m e n tt od e t e r m i n et h ec r i t i c a l t o l e r a b l es i z eo ft h e d i f f c r e n tk i n do ff l a w sa n dt h ef l a w s1 0 c a t e di nt h ed i f f e r e n tz o n e so ft h e jo i n t t h ea s s e s s m e n tr e s u l t sa r eo b t a i n e db yt h ei t e r a t e dc a l c u l a t i o na n d a r ec a l c u l a t e df o rt h el a y i n gc o n d i t i o na n df o r “a sl a i d ”c o n d i t i o np r i o rt o t r e n c h i n ga n db u r y i n g ，w h i c ho f f e rt h eb a s i sf o rt h ec h e c ka n da c c e p to f t h ew e l d i n gd e f e c tw h e nt h ej o i n ti sd e t e c t e db yt h en d t k e yw o r d s ：p i p e l i n es t e e l ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，b s 7 9 1 0 ，e c a i i 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，也不包含为获得鑫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。 文名2 叫嬉一期：疗年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨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) 学位论文作者繇叫媾 签字日期：口f 年月护 7 日 导师签名： 签字日期：妙年月蜉日 7 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非常重要的作用。在国内 外，绝大多数石油、天然气都是通过管道运输的。自18 2 5 年美国 宾西法尼亚州铺设第一条输气管道、18 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 1 0 4 k m ，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 约占1 0 。 海底油气管道属于海洋工程结构的一种，其必然受到海洋自然 环境的影响，例如：水文、气象、海底地形等，同时在特殊情况还 需考虑地震、海啸等偶然因素。海底管道承担着输送石油、天然气 以及易燃、易爆介质的任务，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1 2 。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1 3 。 研究表明，压力管道作为一种典型的焊接结构，由于其所经历 的焊接过程，焊接接头往往发生组织性能的劣化并存在各种缺陷。 在焊接缺陷处存在的应力集中使缺陷处往往成为裂纹的源头。当结 构受到的外界负载较大或者材料的韧性不足时，往往会导致裂纹的 第一章绪论 失稳扩展，从而使管道从接头处发生断裂，造成突发性甚至灾难性 的事故。例如：在i i w 早期对脆性破坏事故的调查中发现，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，而在美国 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【”。 在焊接结构发展的早期，人们要求结构中不能存在任何缺陷， 来防止失效以避免事故的发生。但随着生产和科研的深入，人们发 现这种方法具有很大的局限性。例如，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影响结构的使用，不加区分地 对其进行修复，不仅在经济上增加生产的成本，而且不恰当的修复 会进一步带来冶金上的损害使材质性能下降乃至产生新的缺陷【4 ”。 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，在焊接结构中可能存在构件形状、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。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7 j 】，在保证评定结构安全运行的前提下还将经 济性纳入考虑的范畴。 以“合于使用”的思想为原则，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，后来于1 9 9 1 年 对p d 6 4 9 3 进行进一步的修订。近年来，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 ，并正式的上升为英国的国家标准，同时 在国际上也得到广泛的承认和使用【9 - ”j 。 1 2 本文的研究目的和内容 第一章绪论 中国海洋石油总公司渤海石油公司( c o o e c ) 正在开发旅顺至 大连间海底石油传输管线，该管线位于中国渤海湾，长度约为5 9 2 公里，在管线的铺设中，从管道的焊接完成到管道的下铺入海的过 程中，管道焊接接头中存在的焊接缺陷在较大的外界负载的作用下 将可能发生失稳扩展，不仅对管道的后续使用产生隐患，而且甚至 可能会发生管道的断裂。 在本文中，以国际通用的英国国家标准b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 为依据， 根据所铺设的管道的性能，所受到的外载大小等条件，对管道进行 安全评定，通过自己开发的软件的迭代计算得到在铺设过程中可以 接受的缺陷( 主要是焊接裂纹) 的极限尺寸，为在铺设过程中进行 的无损检测提供缺陷验收的依据。这不仅降低了管道结构进行修复 的经济成本，而且为管道的安全使用奠定了坚实的基础。为完成此 目的，在本论文的完成过程中，主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 熟悉并掌握评定标准b s 7 9 1 0 ：1 9 9 9 ，根据标准中给出的评 定思路和方法，开发自己的评定软件，同时对所开发的软件 进行验证，以考察其正确性及可靠性。 ( 2 ) 对旅大项目中所用的x 5 6 管道的焊接接头以c t o d r 阻力 曲线的形式测定的焊缝和热影响区的断裂韧性，根据试验测 得的r 阻力曲线获得一5 下的启裂c t o d 值。 ( 3 ) 对由管道材料供应商提供的拉伸性能进行分析，得到x 5 6 钢 材料屈服强度和抗拉强度的对数正态分布规律，同时通过拉 伸力学性能实验，测定焊缝金属的力学性能数据。 ( 4 ) 根据断裂韧性实验和力学性能实验测定的数据，结合管道铺 设过程中受到的负载大小，以b s 7 9 1 0 标准为依据，对在铺 设过程中的管道进行安全评定，通过自主开发软件的迭代计 算，得到针对不同位置处不同类型裂纹的极限裂纹尺寸。 f 5 1 对评定结果进行分析和总结。 第= 章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 第二章b s 7 9 10 的断裂评定方法 以“合于使用”的思想为原则，英国标准协会于1 9 8 0 年首次起草了 p d 6 4 9 3 焊接结构缺陷验收评定方法指南，后来于19 9 1 年对p d 6 4 9 3 进行进一步的修订。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 ，并正式上升 为英国的国家标准，同时在国际上也得到了广泛的承认和使用。在本次对 于x 5 6 管道的评定中也以b s 7 9 1 0 标准作为依据。 2 1b s 7 9 1 0 简介【1 1 l b s 7 9 1 0 评定方法以断裂力学为基础，主要采用失效评定曲线f a d 图 ( f a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m ) 方法进行评定，所秉承的评定思路为将结构的 抗裂能力和在实际承载条件下裂纹的启裂能力加以比较。其中f a d 圈的横 坐标是从力学性能的角度来进行度量它表征了结构趋向于塑性失效破坏 的程度，而f a d 图的纵坐标则是从断裂韧性的角度来进行度量它表征 了裂纹在实际负载作用趋向于失稳扩展的程度。 在b s 7 9 1 0 标准中，共有3 个评定等级，随评定等级的增高，评定结 果的保守度降低，当然，所需要的关于结构和材料的相应数据的完备性和准 确性也随之增加。在实际的评定过程中，根据结构和材料相关性能、所受负 载等数据的完备性及准确性，以及所需达到的评定结果的准确程度，选用相 应的评定级别【1 “。3 个等级分别为： a ) 一级评定( 1 e v e l1 ) ，其为简单评定方法，在已知材料性能数据有 限的情况下使用。 b ) 二级评定( 1 e v e l2 ) ，其为常规评定方法，本身又分分为2 a 和2 b 级评定。 c ) 三级评定( 1 e v e l3 ) 该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 “。对于常用的焊接结构用钢，一般不采用此程序。其本身又分为 3 a 、3 b 、3 c 级评定。 3 a 、3 b 、3 c 级评定。 4 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 在标准中，根据不同的评定级别，规定了不同的评定曲线，通过对含缺 陷结构实际承受的载荷，以及缺陷所在位置处材料的性能等进行分析，通过 计算，得出评定点的横坐标和纵坐标，从而确定评定点在f a d 图的位置， 通过比较评定点与评定曲线的位置确定缺陷是否可以接受：当评定点位于评 定曲线与坐标轴所包围的区域时，缺陷是可以接受的，如果评定点落在评定 曲线上或评定曲线以外的区域，则缺陷是不可以接受的。评定的整体流程图 如图2 1 所示 图2 1评定整体流程图 5 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 下面对b s 7 9 10 中的一些重要规定做简要介绍 当对一个缺陷进行初始的评定，得到该缺陷是不可接受时，通过增 加输入数据的准确度并且( 或者) 提高评定的等级，仍可能得到该 缺陷是可以接受的结果 在一些情况下，由于剩余韧带区的塑性不稳定，对表面裂纹或埋藏 裂纹的初始评定结果可能认为该缺陷是不可接受的，但是在一些情 况下，剩余韧带的塑性失效可能并不严重，此时，可以将表面裂纹 和埋藏裂纹重新分类为穿透裂纹和表面裂纹，进行重新评定。 对于压力容器，“先漏后断”( 图2 1 中所指的l b b 分析) 1 1 4 , 1 5 的分 析可能表明在断裂前会发生稳定的泄露现象。 对于评定中所用到的材料的性质是指裂纹所在区域的材料的性质， 也即：母材、焊缝金属或者热影响区。 所有的f a d 图的评定方法都是针对面型缺陷的，对于其他种类缺陷 的评定方法在标准中的相关章节给出了相应的规定。 对于一项评定可以采用两种评定路线：应力强度因子( k ) 评定路 线和c t o d ( 裂纹尖端张开位移) ( 6 ) 评定路线。关于材料的断 裂韧性，当可以直接测得线弹性平面应变应力强度因子( k 。) 或者 通过夏比( c h a r p y ) v 型冲击实验的冲击能量值或j 积分值与k 的 关系得到时 1 8 , 1 7 , 1 8 】，可以采用k 评定路线，当可以直接测得材料的 c t o d 值时，则可以采用c t o d 评定路线。 对于两种评定路线，无论采用那一种，在进行一项评定时，都应该 保证在评定中自始至终都采用同一个评定路线。 如果裂纹与主应力方向不垂直，在评定中应该使用与裂纹所在平面 相垂直的应力分量。在评定中应当考虑的应力有：一次膜应力、一 次弯曲应力、二次应力和由于整体或局部的结构不连续性或错位引 起的对一次应力的应力集中分量。 在每一级的评定中，既可以通过评定直接决定一个缺陷的可接受性，也 可以通过循环的迭代计算得到关于一个参量的极限值，比如：裂纹的尺寸、 外界可以施加的载荷或者材料应该具有的断裂韧性。参量的极限值即是评定 点落在评定曲线上时所具有的该参量的值，在本次关于x 5 6 海底管道的评 定中，即通过自己所开发的评定软件的迭代计算，得到不同类型裂纹的极限 6 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 尺寸，从而为无损检测后的缺陷验收提供依据。 2 2b s 7 9 10 的一级评定 级评定作为b s 7 9 1 0 中三级评定中的最初一级，是一种简化的评定方 法，评定结果的保守度较大。在评定中使用对外加应力，残余应力和断裂韧 性的保守估计值，由于其评定本身的保守度较大，因此不使用局部安全因子 ( p a r t i a ls a f e t yf a c t o r s ) 来进一步量化评定结果的保守度。一级评定本身包 括两种方法：1 a 级评定和1 b 级评定。1 b 级评定方法中不采用f a d 图的 评定方法，因此这里不做过多介绍。 2 。2 11 a 级评定曲线及评定方法 1 a 级评定曲线是由两条平行于坐标轴的直线组成。如图2 - 2 所示，评 定曲线具有内置的安全因子( 对于裂纹尺寸而言，该因子值大约为2 ) 。其 中一条直线和横轴s r 相交于0 8 处，另一条直线和纵轴相交于1 ，以( 大约 0 7 0 7 ) 处，由评定曲线和坐标轴相包围的区域是长方形区域。 08 0 7 0 7 k r 。6 只。 o 2 可接受 评定线 o 0o 204 06 o 8 l - o s r 图2 2 一级a 评定的f a d 图 进行评定时，如果评定点位于评定曲线所包围的区域内，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。评定流程图如 图2 3 所示。 7 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 当无法直接测得材料的断裂韧性时( 无论是以应力强度因子。的形式 还是以c t o d 值5 。的形式度量断裂韧性) ，可以根据夏比冲击实验的能量 值来得到k m 砒，但是当从j 积分值或非标准应力强度因子测试实验结果来推 出k 。值时，应该对实验的结果值进行调整以考虑到这些实验中与平面应 变不同的约束条件的影响。 图2 - 31 a 级评定流程图 8 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 2 2 21 a 级评定f a d 图横坐标 当进行1 a 级评定时，评定点的横坐标s r 从力学性能的角度对结构进行 考察，反映了裂纹尖端塑性储备量的大小，表征了结构趋向于塑性失效破坏 的程度，其含义从其求解公式( 如下式2 1 所示) 中可见。 s ：垒( 2 1 ) o i 式中o 。，为参考应力，在标准中针对与不同类型，不同位置处的裂纹给出了 参考应力的求解公式。在本次对于x 5 6 钢的评定中用到具体的公式可参见 第四章。盯，为材料的流变应力，其求解公式如下式2 2 所示，式中o 。和o 。分别为材料的屈服强度和抗拉强度。 o f = ( o 广o 。) 2 并且o f 1 2o ， ( 2 - 2 ) 这里值得指出的是，在b s 7 9 1 0 中，从对f a d 图的横坐标( 一级评定中 的s r 、二、三级评定中的l r ) 的求解公式中使用0 。f 体现了标准b s 7 9 1 0 只对局部塑性失效或净截面失效进行了考察，而对三种可能存在的塑性失效 机制的另外一种全面屈服则没有进行考虑。这一点和另一种同样基于“合 于使用”原则的评定标准s i n t a p 存有区别【伯烈2 ”。 2 2 31 a 级评定f a d 图纵坐标 f a d 图的纵坐标从断裂韧性的角度对结构进行了考察，反映了裂纹尖端 趋向于发生失稳扩展的程度。其值为用断裂韧度度量的外界负载对裂纹产生 的作用( k 。或者6 。) 与裂纹评定处材料所具有的断裂韧性储备( k 。或者6 。) 的比值。当采用不同的评定路线时，比值结果的量度不同，为了能将两 种评定路线的结果统一到同一个f a d 图中表达，当采用c t o d 评定路线时，f a d 图的纵坐标为比值的平方根( 可参见求解公式2 4 ) 。求解公式分别如式2 3 和式2 - 4 所示。 当采用应力强度因子的评定路线时，f a d 图纵坐标k ，的求解公式如下所 示 置：l( 2 3 ) 。 j r m 当采用c t o d 的评定路线时，f a d 图纵坐标6 ，的求解公式如下所示 9 第二章1 粥7 9 1 0 的断裂评定方法 0 6 。= 0 6 i f 6 ( 2 4 ) 在两式中k 。和6 。均是对外界负载对裂纹尖端作用的反映，而且6 ，是根 据k 值求解得到的，因此无论采用哪一种评定路线都需要首先确定外界负 载产生的应力强度因子k ， 2 2 3 1 1 a 级评定中外载产生的应力强度因子k 在1 a 级评定中，由于外载产生的应力强度因子k 。的求解公式如下式2 5 所示 k i = ( y 仃) ( 埘) ( 2 5 ) 其中】，盯= 巩m 。盯，a 为裂纹尺寸。m 和f w 分别是膨胀修正因子和有限 宽度修正因子，m 。为应力强度放大因子，对于其这些参数，标准根据裂纹 的类型、所处位置给出了不同的取值或求解公式。( 关于应力强度因子的求 解可参见附录a ) 。o 。为最大拉伸应力，其求解公式如式2 6 所示 盯。= k 巴+ k , b 【咒+ ( k 1 ) 匕 + q ( 2 6 ) 式中p m 、p 。和q 分别为外载作用下的一次膜应力、一次弯曲应力和二次应 力( 对于焊接接头而言，主要为残余应力) 。k 。和k 。b 分别为由于整体的结 构不连续性所产生的对膜应力和弯曲应力的应力集中系数。k m 是由于结构 的错位所产生的应力集中系数。对于后者在标准中针对不同的错位种类给出 了求解公式。 2 2 3 21 a 级评定中的残余应力( 二次应力) 在一级评定中，对于处于焊后状态的结构中的残余应力( 二次应力) 认 为其值为单一的膜应力值( q m ) ，计算纵向残余应力( 与焊缝平行的残余 应力) 时，其值q m 等于缺陷所处材质室温下的屈服极限，而对于横向残 余应力( 与焊缝垂直的残余应力) ，其值则等于母材和焊缝室温下屈服强度 二者的较低值。 对于经过热处理的焊接结构，残余应力的值通常认为并不会降低为零 2 2 , 2 3 , 2 4 , 2 s 1 。对热处理后的焊接接头中存在的残余应力水平应该通过对全焊接 试样或母材试样进行的应力释放实验的基础上进行评估。当没有相关实验数 据时，对于碳锰钢和低合金钢，在封闭炉中进行5 8 0 c06 2 0 c 的热处理后 ( 热处理方法应符合b s 5 5 0 0 中的相关规定) ，其残余应力水平可参考如下： 一对于方向为平行于焊缝的残余应力( q 。) ，其值为裂纹所在位置 1 0 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 处材料室温下屈服强度的3 0 。 一对于方向为垂直于焊缝的残余应力( q 。) ，其值为焊缝金属和母 材金属两者屈服强度的较小值的2 0 。 但是如果所进行的热处理是在未控制条件下进行的局部热处理，此时的残余 应力水平要比上述值高得多，在进行评定时，应该使用焊后状态下的残余应 力水平。 在实际中，可以利用对合理设计和制造的结构进行初始的压力实验或者 其他机械形式的过载实验来降低残余应力水平【2 e 】，但是如果在过载实验后， 残余应力分布的方向发生改变，就不能认为该方法降低残余应力的效应仍然 存在，而且，在进行缺陷评定时，通常情况下认为振荡消除应力方法并不能 降低结构中的残余应力水平。 2 2 3 31 a 级评定中外载产生的裂纹尖端张开位移6i 当采用c t o d 的评定路线时，反映外载对裂纹作用的6 是通过求解得 到k ，然后得到的，在1 a 级评定中，具体的求解方法如下所述。 a ) 对于盯。e 7 ，0 5 的钢( 包括不锈钢) 和铝合金，以及对于任意 盯。g r 比值的其他材料： j ：卫( 2 7 ) o y e b ) 对于钢( 包括不锈钢) 和铝合金，当仃。，盯r 0 5 时 4 = 筹2 ( 等一o ：s c z - 8 ， 2 3b s 7 9 10 的二级评定 二级评定作为常规评定，在三个评定级别中应用最为广泛。与一级评定 相比较，在评定中对所使用数据的要求更高，评定结果的保守度更低，准确 性更高。其本身包括两种评定方法：2 a 级和2 b 级评定。 由于二级评定本身不含有内置的安全因子，因此为了量化评定结果的可 靠性，使之达到所需要的可靠性，在评定的过程中应该针对裂纹尺寸、外界 应力、屈服强度和断裂韧性分别使用适当大小的“局部安全因子” 2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 。 对裂纹尺寸而言，无论是单一的裂纹还是符合后的当量裂纹，应该在评定中 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 将裂纹尺寸乘以局部安全因子，外界应力的大小在评定中也应该乘以局部安 全因子，而对于断裂韧性和屈服强度则应该在评定中除以局部安全因子。 对于在评定使用的断裂韧性值，尽管在测量时材料可能会发生局部的塑 性撕裂，但是评定结果是在使用单一不变的断裂韧性值的基础上得出的。如 果要对材料的塑性撕裂进行全面准确的分析以进行评定，则应该采用三级评 定。对于二级评定，评定的流程图如图2 4 所示 图2 - 4 二级评定流程图 1 2 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 2 3 1 二级评定f a d 图的评定曲线 对于二级评定的两种评定方法，每种评定方法的评定曲线均是由一条根 据方程确定的曲线和一条截止线共同构成。如前所述，当评定点落在由评定 线和坐标轴所包围的面积中时，该缺陷是可以接受的，如果落在评定线上或 者是评定线以外时，则缺陷是不可以接受的。 在f a d 图的评定曲线中加入截止线的目的是为了防止结构发生局部届服 3 1 , 3 2 ，也即在评定中要求合格评定点的横坐标( l r ) 应该小于所要求的值 ( l 。，) ，l 。由式2 9 确定。 l ，= ( c r r + d r 。) ( 2 0 - r ) ( 2 - 9 ) 式中o ，和o 。分别为材料的屈服强度和抗拉强度。值得指出的是，在式中所 使用的关于材料的力学性能值应为根据规定进行多次测量所得结果的平均 值，而不是测量结果的最小值。 2 ，3 1 1 2 a 级评定f a d 图的评定曲线 2 a 级评定曲线的描述方程如下式2 1 0 所示： 当l ，l 。；时，艿，o rk r = ( 1 一o 。1 4 l r 2 ) 0 。3 + o 。7 e x p ( - 0 6 5 l r s ) ) ( 2 1 0 ) 当l ， l 。时，占，o rk r = 0 在标准中，给出的一些对于不同材料的l 。的参考值如下所示： 对于典型低合金钢和焊缝： l 。= 1 1 5 对于典型碳钢和奥氏体焊缝： l 。= 1 2 5 对于典型奥氏体母材：l r r n 。= = 1 8 当材料的应力应变曲线上存有屈服平台时，或者不能肯定不存有屈服平 台时，则评定曲线在l r = 1 处存有截止线或者应该采用2 b 级评定。如果不 能采用2 b 级评定，则对于l r m l r l 部分的评定曲线由下式2 1 1 和式2 1 2 所示： 7 , - ( 三，= 1 ) o r 足，( 工，= 1 ) = | + e 气o - 。y + 1 2 ( 1 + e c l o - ”y ) 】) o 5 ( 2 - 1 1 ) 历( 上， 1 ) = 万( 三，= 1 ) l ，“2 ” ( 2 1 2 ) 或 k ，( ， i ) = k ，( 上，瓮1 ) 上，”_ 1 ，2 式2 1 1 中，s ，是材料应力应变曲线的屈服平台的长度，当材料的上屈 服强度盯”y 。时4 或k r = 0 式中占。是根据单向拉伸应力一应变曲线，材料在真应力( l ，口，) 作用下的 真应交，但在大多数的评定情况下，使用工程应变的值也是可以接受的。 从上述对评定曲线确定的方法可以看出，当我们得到评定曲线的坐标点 的数量越多。越准确，那么评定曲线也就越精确，因此相应的，在进行2 b 级评定时，需要大量的关于材料应力应变曲线上的坐标点的数据，尤其需要 注意应变小于1 时应力一应变曲线的形状。 通常情况下建议工程应力一应变曲线应当在下述c o r 。值下精确测定： o 仃，= 0 7 ，o 9 ，0 9 8 1 0 ，1 0 2 ，1 1 ，1 2 ，然后以间隔为0 1 直到盯。 1 4 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 2 3 2 二级评定f a d 图的横坐标 在二级评定中，f a d 图的横坐标l r 的求解公式如下式2 1 6 所示 l ，：堕( 2 1 6 ) 盯r 式中各参量的含义如前所述，从此式和式2 - 1 对比不难发现，同为f a d 图 的横坐标的求解公式，两者却存有区别，其主要原因是一级评定本身内在的 保守度较大，因此在纵坐标的求解公式中使用流变应力而不是屈服强度来进 行补偿，以提高评定结果的精确性，而二级评定本身并不具有内在的保守度， 因此不需要使用流变应力进行补偿。 2 3 3 二级评定f a d 图的纵坐标 不 当采用应力强度因子的评定路线时，f a d 图级坐标k r 的求解公式如下所 k r = 瓦k i + p ( 2 - 1 7 ) 当采用c t o d 的评定路线时，f a d 图纵坐标6 ，的求解公式如下所示 万2 j 唔) + p ( 2 - 式中p 为反映一次应力和二次应力分布相互作用的参量， 在标准中绘出了 相应的求解方法( 可参见附录b ) ，当二次应力不存在时，可取其值为0 。 式中其余各参量的含义均如前所述，但是对于二级评定，求解的具体公式与 一级评定存在区别。 2 3 3 1 二级评定中外载产生的应力强度因子k i 二级评定中，k ，求解整体公式和式2 5 相同，但是对式中yo 的求解却 和一级存有区别，如式2 - 1 9 所示： y t r = ( 倚) 。+ ( t o - ) 。 ( 2 - 1 9 ) 其中( y o - ) ，和( y a ) 。的下标p 和s 分别表示主应力和二次应力，求解公 式分别如下： ( y 盯) 。= 蛾限。m m ，匕+ k , b m 励m 6 最+ ( k 。一1 ) p 卅) 】 ( 2 2 0 ) 1 5 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 ( y o - ) ，= 肘。q 。+ m 6 蜴 ( 2 2 1 ) 式中在前面公式中出现过的各参量的含义均如前所述，m ， f w 分别为膨 胀修正因子和有限宽度修正因子， m 。和m 。与分别为膜应力和弯曲应力 的放大因子。m 。和m k b 为表征当缺陷位于局部应力集中区( 如焊趾) 时 的膜应力和弯曲应力的放大因子， k 。k 。和k 。的含义也均如前所述。( 关 于应力强度因子的求解可参见附录a ，这里不再赘述) 。 式中p ”p b 、q m 、q b 为一次膜应力、次弯曲应力、二次膜应力和二 次弯曲应力，他们是进行二级评定时所使用的应力种类。由于在评定中，需 要考虑缺陷附近区域中应力的实际分布情况，因此在进行计算时对该四个参 量的处理方法为，对实际分布的应力进行线性化处理以后，并在需要的情况 下，乘以相应的适当大小的局部安全因子。 在特定的情况下，在整个结构中平衡的热应力和残余应力在对一个单一 构件进行评定时应该作为主应力( 一次应力) 处理，而不是通常情况下作为 二次应力来用于评定中。当缺陷尺寸与热应力和残余应力的影响范围相比较 小，例如，在存在大的弹性随动情况或应力的空间范围与裂纹尺寸相比较大 时，就会存在上述情况。在这种情况下，应该将这样的热应力和残余应力作 为一次应力来处理并包含在对k ，( 或者8 ，) 和l ，的计算中。 值得指出的是，对于表面裂纹和埋藏裂纹，应力强度因子k i 的值在裂纹 尖端不同位置处，其取值不同，通常应力强度因子的最大值发生在最深点( 对 于表面裂纹) 和最靠近表面点( 对于埋藏裂纹) 。然而，在一些情况下也存 有例外盼“】。沿裂纹尖端，应力强度因子取值最大的位置点受到多种因素的 影响，其中包括： 一缺陷纵横 = l ( a 2 c ) ； 一表面应力集中( 如焊趾) ； 一热冲击； 一残余应力变化 因此，在表面缺陷和埋藏缺陷的情况下，k ，应该以沿着裂纹前沿对多个位 置点来进行计算得到。 相类似的，由于缺陷所处位置处材料性质的不均匀性或约束条件的变化， 随深度的不同，材料本身的断裂韧性k 。也会发生变化。 为了保证评定结果的安全性，在进行缺陷评定时，应该保证使用沿裂纹 1 6 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 前沿计算得到的最大的k r 值。 2 3 3 2 二级评定中的残余应力( 二次应力) 在二级评定中，对残余应力的处理方法有两种：一种处理方法为与一级 评定中处理方法相类似认为存在的残余应力是均匀分布的，也即只有二 次膜应力，而二次弯曲应力值为o 。另一种处理方法为认为残余应力不是均 匀分布。根据残余应力的分布，通过线性化处理得到二次膜应力和二次弯曲 应力的值。 当认为残余应力的值是均匀分布时，则二次膜应力的值为由如下所示式 2 - 2 2 和式2 - 2 3 确定的值中的较小值 级= 盯。y ( 2 2 2 ) q ，= ( 1 4 一d 一盯，) 仃， ( 2 2 3 ) 式2 2 2 中盯r 表示在评定温度下材料的屈服强度，当评定的温度低于 室温时。应当使用在室温下的材料的屈服强度。式2 - 2 3 中，d ，表示在评 定温度下的材料的流变应力( 其值等于评定温度下材料的屈服强度和拉伸强 度的平均值) 。 在一些情况下，使用上述的认为焊后接头中残余应力是均匀分布的处理 方法所得到的评定结果可能是过分保守的，此时，应该要求得到关于残余应 力分布更为准确的信息 3 5 3 6 , 3 7 】，以降低评定结果的保守度，焊接残余应力的 分布包括在局部焊缝区域残余应力的分布和在长程范围中存在的残余应力， 在进行评定时，两者都应该加以考虑。通常情况下，长程残余应力在大结构 部件之间相互平衡，并产生净截面应力和弯矩。这些应力由于引起弹性随动， 并对评定点的横、纵坐标值都产生贡献，因此作为主应力加以处理。局部焊 缝区域中分布的残余应力则通常只对评定点的纵坐标产生贡献，即为我们通 常所说的二次应力。 在标准中给出了焊后接头中推荐使用的残余应力分布，这些残余应力的 分布是建立在实验的基础上，并对在特定参数范围中才成立。在一些情况下， 残余应力的是以一条焊道单位长度上的线能量e 。的函数形式给出，e 】等于 ( 焊接电流) 乘以( 焊接电压) 然后除以焊接速度。在其他情况下，标准中 给出的残余应力的求解公式则是可得到的参数的指数多项式。在标准中给出 的分布情况都是残余应力分布的上限值，如果无法确定焊接线能量的大小， 1 7 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 则可以由富有经验的焊接工程师依据焊珠尺寸、焊接过程、焊接工序和位置 对焊接线能量的大小作出合理的建议。 对于本次评定中所研究的管道接头，残余应力分布成立的参数范围如下 表2 一l 所示，残余应力分布示意图如图2 5 所示 表2 - - 1管道对接焊缝残余应力分布成立的参数范围 厚度验证强度热输入 几何类型 m mn ，m m 2kj ，m m 管道环焊缝对接 9 8 42 2 5 7 8 00 3 5 1 9 接头 对于管道对接接头，残余应力的大小根据材料的0 2 的名义屈服强度 或屈服强度o 。以及沿管道壁厚测量的厚度确定，其中，沿管道壁厚测量的 厚度z 是从最后一道焊道完成的表面进行测量，对于横向残余应力，屈服强 度o 。应取焊缝和母材的屈服强度值两者中的较低值，而对于纵向残余应力， 则应该使用两屈服强度中的较大值。 纵向残余应力分布 黼搿 辫 静 ：打 ， 横向残余应力分布 嚣i 霸 一。二t z t ，。v 二 滤x ：想+ 图2 - 5 管道对接接头中残余分布的示意图 在标准中，给出的对于铁素体和奥氏体锅管道对接接头中横向和纵向残 余应力的计算方程如下所示。 纵向残余应力( 即平行于焊缝长度一沿管道环向) 对于铁素体和奥氏体钢管道对接接头，纵向残余应力被保守地认为在截 面中为线性分布，并且在管道外表面的残余应力值为o 。，在管道中心其值 为口。l ，8 ，求解公式如下： o r 。= c r y 1 十( z b ) ( o r l , b o y 一1 ) ( 2 - 2 4 ) 1 8 第二章b s 7 9 1 0 的断裂评定方法 其中 当bs 1 5 ( m m ) 时or。届=ay(2-25) 当1 5 bs 8 5 ( m m ) 时 o r 。1 b = 口y 1 0 0 1 4 ( b 1 5 ) ( 2 2 6 ) z 从外表面点开始测量，单位为m m 。 横向残余应力( 即垂直于焊缝长度一沿管道的轴向) 管道对接接头的横向残余应力受单位焊缝长度焊接热输入量e 和壁厚 的影响。残余应力与z b t 和e ，b 的函数关系表达式如下所述：这里z 从内 表面测量