（材料加工工程专业论文）含缺陷焊接管道高级评定方法的研究及应用.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 m c t u 】m i n t e g r i t y a s s e s s m e n t p r o c e d u r e ) ，应用有限元的方法，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 海底管线钢 进行安全评估。 在此过程中，首先熟悉和了解s i n t a p 标准，确定应用于本评定的方法。 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x 5 6 管线进行力学 和断裂韧度试验，获得相应的焊缝和母材的力学性能和断裂韧度。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j 积分值， 建立j - c d f 评定图。在此基础上，依据s i n t a p 标准的规定，应用评定图对表面 裂纹尺寸固定的海底油气管道进行安全评估。最后，应用v b 编程软件，对本评 定方法进行编程，形成易于工程实际使用的程序，实现此评定方法的现实应用。 关键词：管线钢，安全评定，s i n t a p ，有限元，j 积分 a bs 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 sa 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 ，s u c ha sd e l i v e r i n gp e t r o l e u m ，n a t u r a lg a so rt h el i k e w h i l et h ew e l d e d j o i n to ft h ep i p e l i n e ，a sa k i n do fw e l d e ds 仃u c t u r e ，i n c u r sw e l d i n gd e f e c t si n e v i t a b l y 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 ga p p l i c a t i o ni np r a c t i c e ，g r a d u a l l y p e o p l ea s s e s st h ei n f l u e n c eo ft h ew e l d i n gd e f e c t so nt h es 打u c t l e sb a s e do nt h e p r i n c i p l eo ft h e “f i t n e s sf o ru s e ”，w i t h o u ti m p o s i n gt h er e q u i r e m e n tt 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 sa sc o n v e n t i o n a l l ye m p l o y e d t h i ss t e pn o t o n l yt a k e st h ee c o n o m i cc o s to ft h e 咖c 骶i n t oa c c o u n t ，b u ta l s op r o v i d e sas 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 e p e r f o r m a n c eo ft h e s t r u c t u r e 。 a c c o r d i n gt ot 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 er e g u l a t i o no ft h e s i n t a p ( s t r u c t i l m 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 h i sp a p e ra d o p t st h ef m i t e e l e m e n tm e t h o dt 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 ep e t r o l e u m s u b m a r i n e l i n ex 5 6b e t w e e nl v s h u na n dd a l i a nw h i c hi sd e v e l o p e db yt h ec o o e c 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 eg e tt ok n o wt h er e g u l a t i o n sa n dt h et h e o r i e s o ft h es i n t a pa n dd e t e r m i n et h es a f ea s s e s s m e f i tm e t h o d t h e n ，w eo b t a i nt h et e n s i l e p r o p e r t ya n df r a c t u r et o u g h n e s so ft h ex 5 6p i p e l i n ea n dt h ew e l db yp e r f o r m i n gt h e t e n s i l et e s t i n ga n d 纳c t u r et o u g h n e s st e s t i n go nt h ex 5 6p i p e l i n e s u b s e q u e n t l y , w e s i m u l a t et h em o d e lo fx 5 6 p i p e l i n ew i t l ls u r f a c ec r a c kb yt h ef m i t ee l e m e n ts o r w a r e a n s y sa n dc o m p u t eji n t e g r a lo fc r a c kt i p ，a n dt h e n ，m a k eaj - c d fd r a w i n gf o rs a f e a s s e s s m e n t b yt h i sd r a w i n gw ea s s e s st h ep i p e l i n ew i t hf i x e ds u r f a c ec r a c ks i z e i n a c c o r d a n c ew i t ht h er e g u l a t i o no ft h es i n t a p a tl a s t ，b ym e a n so ft h es o f t w a r ev b ， w em a k eap r o g r a mo nt h i sa s s e s s m e n tm e t h o d ，w h i c hi se a s yf o ro p e r a t i o nf o rt h e f u t u r eu s ei ne n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：p i p e l i n e ，s a f ea s s e s s m e n t ，s i n t a p ，f i n i t ee l e m e n t ， j i n t e g r a 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，也不包含为获得墨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：孑嗡讶 签字日期： 2 哆年2 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洼苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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：引确精 签字日期：2 d 0 7 年2 月日 导师签名： 签字日期： 秒夕年月乃p 日 天津大学硕士学位论文 i i 引言 第一章概述 管道运输是目前世界上第四种重要的运输方式，特别是海底油气管道，在 能源输送过程中起着十分重要的作用。通过海底油气管道，把海上油气田的整个 油气集输与贮运系统联系起来，也使海上油气田与整个石油工业系统联系起来。 海底管道的起源和发展，在国际上己有较长的历史。从1 9 5 4 年在美国的墨西哥湾 由b r o w n r o o t 海洋工程公司铺设的第一条海底管道以来，在世界各近海海域成 功地铺设了无数条各种类型、各种管径的海底管道n 3 。 我国海底管道的铺设，因受海洋工程发展较缓慢，且装备与技术相对落后等 因素的影响而起步较晚。在我国近二十年海上油气田开发中，从最初的油气田内 部短距离海底管道发展到各类长距离平台至陆地海底管道，海底管道设计、施工 技术有了长足发展。我国第一条海底输油管道是中日合作开发的埋北油田内部管 线，1 9 8 5 年建成投产，至今仍在生产运行。我国第一条长距离油气混输海底管道 是9 2 年建成投产的锦 n 2 0 - 2 天然气凝析油混输管道，这条长4 8 6 公里的管道是国 内第一条由国内铺管船铺设的海底管道。我国迄今为止最长的海底管道是9 5 年底 建成投产的由南海崖1 3 - 1 气田至香港的海底输气管道，由美国j pk e n n y 公司设 计，意大禾l j s e i p e m 公司铺设。我国第一条长距离稠油输送海底管道是2 0 0 1 年建成 投产的绥中3 6 - 1 油田中心平台至绥中陆上终端海底管道，该管道完全由国内公司 设计铺设，自2 0 0 1 年油田投产以来系统运转正常，可以说，绥中长距离海底输油 管道填空了国内外海底长距离输送高粘原油的空白心1 。 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口j 。1 9 8 9 年前苏联条输气管道 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 天津大学硕士学位论文 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“j 1 。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 方法砸一1 ，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。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 ( 结构完整性 评定方法) 哺1 ，这些标准都在国际上也得到广泛的承认和使用旧1 。 1 2 断裂力学评定方法的发展 断裂力学是固体力学与材料科学结合而形成的一门科学，作为一门独立的工 程学科，它起源于1 9 4 8 年i r w 经典性论文“f r a c t u r ed y n a m i c s ”的发表。断裂力 学的基本思想是从构件存在宏观裂纹这一点出发，利用线弹性和弹塑性力学的分 2 天津大学硕士学位论文 析方法，对构件中裂纹问题进行理论分析和实验研究，从而对含裂纹构件的安全 性和寿命给出定量和半定量的估算。断裂力学的快速发展为含缺陷结构的安全 评定奠定了理论基础，产生了诸如c o d 曲线、r 6 和e p r i 失敷评定图等以“合乎使 用 为原则的断裂评定规规范，标志着缺陷评定技术的有力进展n 们。 1 2 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 k ，与断裂韧度k 旷相比较，若k ， k ，r 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k 准则的有效应用。 1 2 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 移万，和万。相比较，若万。 万，。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 e v ，纵坐标为 占2 a e ，a ，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i i 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n 0 1 。 1 2 3 采用j 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j 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 3 天津大学硕士学位论文 则和以c o d 为断裂参量的评定准则，已逐渐被以j 积分为断裂参量的弹塑性断裂 评定规程所取代。 - ，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j 积分参量的评定方法与k 参量和c o d 参量的评定 方法有不可比拟的优越性1 。 1 9 8 1 年t u r n e r 最早提出了j 积分设计曲线，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，在该方法的高级评定中 已将，积分公式考虑进去。 采用厂准则和失效评定图f a d ( f a i l u r ea s s e s s m e n td i 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 “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 h r 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 铁素体管道缺陷评定准则中都是以- 厂积分为判据来评定管 道的安全性能。 总之，国际上对裂纹类缺陷的评定方法经过近3 0 年的发展，已经从线弹性 断裂理论的评定方法( 如美国a s m e 规范n 2 1 ) 、c o d 设计曲线法( 如我国的 c v d a 一1 9 8 4 ) ，发展到先进的基于，积分理论的失效评定图( f a d ) 技术的评定 方法( 如英国中央电力局c e g b 新r 6 标准) 。对这类缺陷，目前国际上普遍采用 f a d 技术进行安全性评价。 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 ，轴) 代表结构对脆性断裂的阻力，而x 轴( ，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1 一l 所示，由失效评定曲线和l ，= 严的竖线构成。 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 坐标由施加的裂纹驱动力( 用应力强度因子计算) k ，除以材料的断裂韧性k ，r 得到，即k r = k ，i k ，c 。x 坐标由施加的载荷尸除以造成塑性失稳的载荷只( 由 裂纹几何的弹塑性解计算) 来确定，即l r = p 1 只。 4 天津大学硕士学位论文 当采用失效评定图对结构进行完整性评定时，可将评定点描于f a d 图上。 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。 图l 一1 失效评定图 天津大学硕士学位论文 1 3 国际通用的缺陷评定规范 对于焊接结构存在的缺陷，并非全部都会导致结构断裂失效。因此，从安全 性和经济性的角度考虑，需按某种标准评定其是否允许存在。目前国际上使用的 评定标准分为两类：一类是以“控制质量 为基础的标准n ：另一类是以“合于使 用”为基础的控制标准。控制质量评定标准仅仅基于经验积累，要求结构的质量 保持在某种水平之上，而未考虑缺陷的具体形态及对产品可靠性的影响，缺乏定 量计算，往往造成不必要的经济损失。合于使用评定标准基于断裂力学的研究成 果，定量计算缺陷对产品使用性能的影响，对焊接结构进行临界评定从而可以决 定带缺陷结构的最大安全承载能力或给定荷载下的最大允许裂纹尺寸。合于使用 标准比控制质量标准更加严密、科学。从7 0 年代初开始，世界各国针对各种焊接 结构的缺陷评定技术提出了一些工程评定方法和规范，这些方法和规范在不同发 展时期基于不同的理论基础，评定的路线也各不相同。其中影响较大的评定规范 如表1 一l 所示： 表1 1 结构完整性或适用性评价标准规范n 钉 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 收水平推荐的若干方法指南 英国标准学会主要为平面型缺陷 弹塑性断裂力学分析的工程方美国电力研究院( e p r i ) 法- 1 9 8 1 和通用电气公司( g e ) 裂纹型缺陷 含缺陷核压力容器及管道的完 整性评定方法- 1 9 8 2 e p r i g e裂纹型缺陷 1 i i 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 在用含缺陷压力容器安全评定 中国特种设备检测研究 - 2 0 0 4 中心 裂纹型缺陷 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 一1 9 8 8 英国中央电力局( c e g b )平面型缺陷 ii w 焊接结构适用性评价指南 - 1 9 9 0 国际焊接学会主要为平面型缺陷 s a f o u r e p o r t9 i 0 1 带裂纹 瑞典 裂纹型缺陷 6 天津大学硕士学位论文 构件安全评定规范手册 b s ip d 6 4 9 3 - 1 9 9 1 焊接结构缺 英国标准学会主要为平面型缺陷 陷可接受性评价方法指南 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 中国机械电子工业部主要为平面型缺陷 j b t 5 1 0 4 1 9 9 1 a s m es e c t i o nx i 一1 9 9 5 核动力 美国机械工程师协会 裂纹型缺陷 电站构件在役检测的规则 船c f f s 一1 9 9 5 石油化工中的适美国材料性能委员会 用性评价程序- 19 9 5( m p c ) 裂纹型+ 体积型缺陷 1 4 本文研究的内容和目的 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 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 ，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 d6 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n 钔，r 6 及b sp 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 s7 9 1 0 ：1 9 9 ，取消了p d 代号而正式 列入正规的英国标准n 引。 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，涉及到脆断领域 和塑性破坏，以及二者之间的相互作用n 剐。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。如果正确应用，它能防止设计过量和不必要的检测，并且能为达到既安全 又经济的平衡提供工具n 引。 中国海洋石油总公司渤海石油公司( c o o e c ) 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，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产生失稳扩展，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。 7 天津大学硕士学位论文 本文研究了x 5 6 海底管线钢的断裂性能，同时根据断裂韧度试验得到低温( - 5 ) 下焊接接头不同部位的断裂韧度值，并应用有限元计算，依据s i n t a p 标准对 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 安全评定方法，并与以前的方法相比较，总结出新的发展 特点。了解j 积分的方法，确定本论文评定方法。 ( 2 ) 通过对x 5 6 海底管线钢进行拉伸力学性能试验，测定焊缝金属和母材的 屈服强度和抗拉强度，并利用测得的拉伸数据作出对应的应力一应变关系曲线及 真应力一应变关系曲线。 ( 3 ) 通过脓分试验，对旅大项目中所用的x 5 6 输油管道的焊接接头以，一尺 阻力曲线的形式测定焊缝和热影响区的断裂韧度。准备用于做出安全评定的 c 卯图。 ( 4 ) 通过有限元软件a n s y s 模拟含表面裂纹的海底油气管道模型及受力后 的变形过程，并计算裂纹尖端的三维，积分值，从而画出用于安全评定的c d f 图，对铺设过程中含表面裂纹的x 5 6 海底油气管道进行安全评定 。 ( 5 ) 学习计算机编程语言v b ，用v b 编程，把上述评定方法程序化，从而有 利于人们简洁直观的使用此评定方法。 天津大学硕士学位论文 第二章基于s i n t a p 准则的j 判据方法 本文主要以欧共体提出的s i n t a p 标准为基础，以j 积分做判据，应用有限 元的方法，对管道进行安全评定，本章主要介绍以s i n t a p 标准为基础建立起来 的以j 做判据的评定方法。 2 1s i n t a p 标准 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“欧洲工业结构完整任评定方法”，简称s i n t a p ( 结构完整性 评定方法) 啪1 ，包括失效评定图f a d ( f a i l u r ea s s e s s m e n td 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 gf o r c e ) 两类分析方法。 2 1 1 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。 表2 1 根据拉伸数据选择分析等级妇 9 天津大学硕士学位论文 第1 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，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凡幻和 c d f 评定方法的一致性，同时为有和没有l u d e r s 平台的材料提供了不同系列的 评定方程。 第2 级( 匹配) ：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3 级( 全应力一应变关系) ：该先进的标准等级等同于r 6 的选择2 ，该等 级需要材料的韧度数据和全应力一应变关系曲线。它是以e t m m m 和r 6 为基础的。 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。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幢纠，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。 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， 积分心3 2 4 】，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 i n 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 ；i 、j j ) _ n 夸妥l ? l = ( r ，+ r 0 2 r , f o r o 厶z ，( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 1 0 天津大学硕士学位论文 足为屈服强度，尼为抗拉强度。 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，这就是三胎状态。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。由于穿透前或穿透后裂纹 会不会撕裂失稳的评定过程和r 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 1 2f ：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 叩方法中， 画出裂纹驱动力，并直接和材料的断裂韧度对比。尉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曙副； 2 1 2 1f a d 图评定方法 根据两个参量k ，和t 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： 墨：施加的线弹性应力强度因子巧和材料的断裂韧度k 。，的比率。 l ：施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 3 ： k ，= ( 4 ) ( 2 3 ) 并包括截止线方程l = 矿。 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、 纵坐标饵，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： 天津大学硕士学位论文 0 沪r ，碍 1n 图2 1f a d 评定曲线示例图 2 1 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l 的函数。裂纹尖端 驱动力可以，的形式计算，如公式( 2 - 4 ) ，或者以裂纹张开位移的形式计算，如 公式( 2 5 ) 。 ，= 以 厂( ) 】。2 ( 2 4 ) 万= 8 e f ( l r ) - 2 ( 2 5 ) 其中 五= 砰e e 是杨氏模量：睡= 砰e 也冠是材料的塑性屈服强 度。 用c d f 方法时，对基本的分析，当t 尹时，用0 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条横线，这条横线与c d f 曲线相交处定 义了工，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。 天津大学硕士学位论文 ，、 3 q u 胁一 厂 j r 必 l 舡) lr ( b ) i，“c ) 2 1 3 特点 l f f f y 图2 2c d f 评定曲线示意图 s i n t a p 是建立在输入数据质量基础上的分级结构：最复杂、最准确的等级 需要相应高质量的输入数据。反过来说，仅有基本参量虽然仍然能够进行评定， 但是它会被高度的保守性所影响陋剐。因此，s i n t a p 方法主要是通过提高数据质 量来降低保守性。其主要特点如下所述： ( 1 ) 评定根据拉伸数据进行，因而当缺少详细的应力应变数据时，s i n t a p 通 过大量钢材性能研究提供了材料应变硬化性能、屈强比及屈服平台( l t l d e r s 应 变) 的估算方法。这些方法可用改进式厂( 上，) 来降低评定过保守度。 ( 2 ) 考虑试样数目而对韧度数据进行统计处理，在大量断裂韧度测试的统计 处理后，近一步发展了a s t m e1 9 2 1 9 7 的所谓m a s t e r 曲线，s i n t a p 提出了由么厝r 估算铁素体钢解理断裂区断裂韧度下限值的方法。这一方法也已被r 6 第4 版及 b s 7 9 1 0 所采用。虽然大量数据研究表明么r y 和启裂断裂韧度，c 之间不存在明确 的简单的数学关系，但鉴于实际工程评定中一般都不可能取样测得材料的断裂韧 天津大学硕士学位论文 度，下限值的估算还是很有实际意义的，但应该认识到估算的断裂韧度值可能十 分保守，有时甚至只有实际值的五分之一左右。s i n t a p 的方法值得我们进一步 工作的关注。 ( 3 ) 二次应力的处理中不仅采用了r 6 的新p 因子法，同时还给出了另外一种 选择性的新方法，二次应力的影响用y 因子表示，v l ，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：y = 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产应力或超静态驴应力为形式，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p 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 ，采用m o n t e c 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 r r e l i a b i l i t yr o u t i n e s ) 。 2 2j 积分简介 ，积分是弹塑性断裂分析方法的基础，迄今为止，有限元方法是获取精确， 积分的最有效也是最可靠的工具堙钉。，积分最早是由r i c e 于1 9 6 8 年提出的，1 9 7 2 年又提出了用多试样法来测量断裂韧度，旷( 即- ，的临界值，它是重要的弹塑性 断裂韧度) 。1 9 7 3 年以后发展成为用单试样法来测量j 旷。国内外在这方面都开 展了大量试验研究工作，同时也发生许多争论。目前，我国已建立了标准的，c 测 量方法( g b 2 0 3 8 - 8 0 ) 啪1 。虽然s a n d e r s 、e s h e l l y 以及c h e r e p a n o v 也独立提出 了类似的概念，但r i c e 的方法明显处于领导地位。同时r i c e 还证明了，积分一 条非常重要的性质，即，积分的数值与积分回路所取的路径无关。这一点很重要， 因为只有这样才可使人们避开裂纹尖端应力应变复杂的“禁区”，而在禁区外进 行线能量分析的。j = ，的断裂判据才是有效的1 。 积分的最简单形式可以定义为与路径无关的曲线积分，它能标志裂纹尖端 附近的奇异应力和应变的强度，式2 6 是二维情况下的定积分表达式： 1 4 天津大学硕士学位论文 - ，= i 嘞一工( 警+ 。等) 凼( 2 - - 6 ) 其中，r 为围绕裂纹尖端的积分路径，为应变能密度( 单位体积的应变能) ， f ，为沿x 轴的牵拉向量= 盯，刀，+ 仃秽力y ，f ) 为沿y 轴的牵拉力向量= 仃y 疗，+ 盯叫，2 ， 仃为应力分量，n 为路径r 的单位外径法向线分量，u 为位移矢量，s 为路径r 的距离。围绕裂纹尖端的积分路径示意图如下所示： y x 图2 3 围绕裂纹尖端的j 积分路径 要用，积分来建立断裂判据，还必需有以下两个条件：第一是，积分的路 径无关性，即积分路径任意选取时，积分值守恒；第二是要有类似于线弹性下k ， 的特性，即在弹塑性条件下，积分也能唯一地决定了裂纹尖端应力应变场的强 度。理论证明，在小应变条件下，j 积分的确与路径无关，而且是弹塑性应力应 变场的强度参量。这样- 厂积分要满足小应变条件使，积分可以作为在大范围屈 服、甚至全屈服条件下断裂的控制参量。二者是有矛盾的。不过，由于一些数值 分析和实验比较肯定了用临界，积分给出断裂判据的有效性，所以这类应用是可 行的。 现在，可以认为，当裂纹尖端附近区域的应力、应变场达到了裂纹开始扩展 的临界状态时，积分也相应达到了临界值厶。于是，积分断裂判据为： j = 厶 ( 2 7 ) 应该指出，只有在平面应变状态下，裂纹体的起裂与失稳非常接近，相应对 低韧性材料，可取厶= ，r ，则此式就是平面应变断裂下的裂纹失稳扩展的判据， j ，r 即为材料的平面应变断裂韧度。 在实践中，对给定材料，通常用，积分去建立阻力曲线，定一血，由此建立 1 5 天津大学硕士学位论文 的了判据则表示给定稳态裂纹扩展量血对应的判据。 2 3 评定方法的确立 本文即采用s i n t a p 标准的c d f 方法进行有关构件的评定。 依据s i n t a p 标准第5 级为基础，以j 积分为评定参量，建立评定曲线。 j c d f 评定图啪1 方法的基础方程为： j = 以 ( ) - 2 ( 2 8 ) je =醚e(2-9) 其中t 为施加载荷f 与极限载荷e ( e 与屈服强度有关，并且依赖于几何 形状和缺陷尺寸) 的比值。以是，积分的弹性部分，足，为张开型裂纹尖端应力场 强度因子，e 为平面应力下的杨氏模量。由公式2 8 ，2 - - 9 结合j 判据，建立 本文所述评定方法，评定图如图2 4 所示： 鲁 e l r = l = f f y 图4 4j - c d f 评定图 评定时，如果评定点即c d f 评定曲线有交点落在j i c 线下方，则认为焊接 结构安全，可以避免断裂的发生。相反，如果评定点落在 i c 线上方，那么就认 为该结构是不安全的。此方法也是国际上通用的评定方法。 天津大学硕士学位论文 2 4 结论 本章主要介绍了基于“合于使用”原则的s i n t a p 评定方法。详细介绍了 s i n t a p 的分析等级，以及f a d 图和c d f 图评定的两种失效评定方法，对比说明 了s i n t a p 的一些新特点。同时结合j 判据的评定方法，根据s i n t a p 第五级标准， 建立本文所述的j - c d f 失效评定方法，为后文的安全评定打下基础。 1 7 天津大学硕士学位论文 第三章管线钢的性能测试 在第四章的安全评定中，应用有限元软件a n s y s 模拟海底管道模型和计算j 积分之前，需要掌握所评定的材料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b ，本章对管线钢的性能测试即是为下一章做准备。 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