强度匹配对含裂纹缺陷X80钢管道断裂参量的影响.pdf

第 卷 第 期广东石油化工学院学报.年 月 强度匹配对含裂纹缺陷 钢管道断裂参量的影响王静杨彬(.中海油安全技术服务有限公司天津 塘沽.中海石油(中国)有限公司 天津分公司天津 塘沽)摘要:通过对埋地管道 高强钢的断裂评定研究为工程中埋地管道的安全设计提供参考 通过埋地管道的应力分析用软件分别模拟了无裂纹管道和含裂纹缺陷管道的断裂参量研究了管道极限承载的有限元算法并分析了强度匹配对含裂纹缺陷 钢管道断裂行为的影响规律计算结果表明在相同载荷作用下高匹配的焊接接头比低匹配接头具有更好的抗断裂能力关键词:钢焊接裂纹强度匹配断裂参量中图分类号:文献标识码:文章编号:()随着油气输送管道用管线钢强度的提高对管道可靠性要求也随之提高不仅要求钢材具有良好的强韧性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能还要求具有优良的焊接性 研究表明管道焊接缺陷是造成失效事故的主要原因之一 焊接接头的失效多因缺陷处产生裂纹并扩展所致如焊趾裂纹、裂纹走向与焊道平行等本文主要研究含外表面环向裂纹的埋地管道的断裂行为通过采用有限元法计算强度匹配对含裂纹管道断裂参量的影响规律为工程中埋地管道的安全运行提供参考 埋地管道的应力分析埋地管道作为油气管输的主要载体由于位置的特殊性和控制规范的要求其承受的主要载荷有:()管道自重()管道内部介质的质量()温差载荷()管道在起吊、运输及安装过程中所受到的力()回填土质量()热应力()地震作用力等 根据工程中常用油气管道的资料数据文中选定的管道、土壤等材料性能数据信息见表 土壤质量产生的压力 /().管道和介质自重产生的压力 ()/()其中 为管道的平均直径 .则.温度引起的轴向载荷 .管道内压产生的轴向力 .为平均半径该压力管道属于薄壁管道不考虑弯曲应力的影响 土壤质量产生的压力、管道和介质质量产生的压力太小均忽略不计因此本文研究温度载荷、管道内压对管道安全运行的影响表 管道、土壤等材料性能参数名称参数值外径/壁厚/.管道内压/土壤表面到管顶深度/土壤的质量密度/(/).管道的质量密度/(/).管内介质的质量密度/(/).线膨胀系数/(/).工作与安装的温度差/管道长度/泊松比.杨氏模量/.收稿日期:修回日期:作者简介:王静()女黑龙江拜泉县人硕士工程师主要从事海洋石油安全环保相关研究 无裂纹管道的有限元分析通过对无裂纹输送管道的极限承载分析计算为其承载分析奠定基础进一步反映材料结构的性能所谓极限载荷指理想弹塑性结构达到极限状态时的载荷在此载荷作用下结构的变形将无限增大进而失去了承载能力使结构失效 但在工程中这种理想状态基本不存在通常认为结构发生显著塑性变形时的载荷为其塑性极限载荷 有限元模拟极限载荷的计算方法主要使用迭代法根据时间步搜索满足方程组的路径并确定最佳载荷增量直到结构不能承载时为止 一旦结构承载大于管道的塑性极限载荷时方程组矩阵发生奇异程序发散从而求解失败 结构静态分析时常用时间步替代载荷步运算则方程发散前的最后稳定收敛或有限元模拟计算发生停机的载荷为结构的塑性极限载荷通过管道建模、网格划分建立管道的有限元模型 管道主要载荷为内压限制管道一端全部自由度另一端受轴向力管道所受轴向力为温度载荷和管道内压的轴向分力的合力 通过模拟无裂纹管道的轴向力分布如图 所示计算出管道允许的最大轴向力为 由内压轴向分力 温度载荷为.根据有限元模拟计算图 无裂纹管道的加载模型结果知.模拟计算可获得管道的极限内压.文献指出无裂纹管道的极限载荷理论计算公式为/其中 为管道外径与内径的比为材料的屈服强度 代入已知数据求解极限载荷的解析解并将极限载荷的数值解和解析解计入表 中 由表 可知数值解和解析解的计算结果误差较小说明利用表 无裂纹管道极限载荷的计算结果解析解/数值解/误差/.有限元模拟计算极限载荷的方法具有较高的精度为含裂纹缺陷管道的极限承载分析提供了理论算法 含裂纹管道断裂参量的有限元分析.含裂纹管道断裂参量的计算通过对 埋地管道有限元模拟计算管道断裂参量 和 积分简化后的管道尺寸见图管道内半径.壁厚 .选取典型外表面环向裂纹 点为裂纹最低端 点为环向裂纹最外端其裂纹图 含外表面环向裂纹的管道长度为 裂纹深度为 管道内压为 对缺陷管道建模并划分网格如图 所示焊接接头划分为母材区、焊缝区及热影响区()三个区域模拟时取一半模型时的母材区长度为 焊缝区宽度为 宽度为 以裂纹位于焊缝区为例 加载时管道一端约束全图 裂纹管道的网格模型部自由度另一端施加轴向力合力管道内部承受内压作用通过有限元模拟求解 和 积分 利用三维裂纹的 计算公式及 积分的计算公式求解 和 积分的解析解并将数值解一起计入表 由表 知通过模拟的断裂参量的精度较高误差均小于 因此基于有限元计算含外表面环向裂纹管道断裂参数的方法是可取的可为工程所应用表 含裂纹管道断裂参数的计算结果断裂参数解析解数值解误差/(.)./().第 期 王静等:强度匹配对含裂纹缺陷 钢管道断裂参量的影响.强度匹配对含裂纹管道断裂参量的影响规律强度匹配的不同直接影响着焊接接头各区的力学性能进而影响整个接头的强韧性 研究强度匹配对含裂纹管道断裂参量的影响规律对管线设计和接头的安全断裂评估具有重要意义 文中选用的强度匹配情况见表主要研究强度匹配对含外表面环向裂纹管道 积分的影响规律并且通过 积分还可反映出强度匹配对 的影响表 虚拟 钢的强度匹配情况焊接接头高强匹配等强匹配低强匹配母材屈服强度/焊缝屈服强度/匹配系数.为比较不同强度匹配的焊接接头在加载过程中裂纹管道 积分的变化情况从靠近裂纹尖端开始分别从弹塑性变形区到非塑性变形区逐渐向外选取图 所示的 条不同的积分路径 对近邻裂纹尖端回路积分与远离裂纹尖端在同一载荷水平下的变化作比较分析不同强度匹配的焊接接头在加载过程中裂纹尖端 积分的变化情况如图 所示 积分路径的选取图 积分路径对 积分值有很大影响在距裂纹尖端较近的积分路径 下获得的 积分值与后面 条路径 积分的值有明显差别相差 左右 说明了近邻裂纹尖端的 积分与积分路径有明显的相关性符合求解 积分时通常选取远离裂纹尖端的回路的原理不在塑性应变区内的 积分仍然与路径无关 由图 还可看出在相同外加载荷作用时强度匹配与 积分有重要关系 低匹配接头的 积分较等匹配时的值要大而高匹配接头的 积分值却比等匹配时的值要小图 强度匹配对 积分的影响规律 积分为断裂力学裂纹扩展的驱动力由以上分析知高匹配时的裂纹扩展驱动力比低匹配时的要小说明了在相同载荷作用下高匹配接头比低匹配接头抗断裂能力更好 裂纹在焊缝区时低匹配的焊缝强度比母材的要小在外加载荷作用下裂纹尖端屈服变形从焊缝开始并扩展接头极易发生塑性失效但在高匹配时由于焊缝强度较高当尖端屈服后其塑性区逐渐越过焊缝而发生在母材区因而在同一载荷下低匹配时主要由焊缝承载塑性区小高匹配时由焊缝和母材共同承载塑性区较大从而使接头具有较好的抗断性韧性也就越好 所以高匹配的焊接接头比低匹配的接头的抗断性能要好 结论()积分路径的选取对 积分值有很大的影响 近邻裂纹尖端的 积分与积分路径有明显的相关性相差 左右而远离裂纹尖端的 积分具有路径无关性 积分的值基本不变 因此在求解 积分时积分路径通常选远离裂纹尖端的积分回路()强度匹配与 积分有较大的影响 低匹配时焊接接头的 积分较等匹配时的要大而高匹配时则相反 说明在相同载荷作用下高匹配的焊接接头比低匹配接头具有更好的抗断裂能力参考文献 熊庆人闫琳张建勋等.钢级管道环焊缝非均匀裂纹体断裂驱动力.焊接学报():.刘明尧柯孟龙周祖德等.裂纹尖端应力强度因子的有限元计算方法分析.武汉理工大学学报():.李晓芃李朋朋徐杰等.强度匹配对焊接钢管断裂韧性影响的有限元分析.焊管():.广东石油化工学院学报 年 宋启明李国成.三维 积分在 中的计算.石油化工设备():.江金旭张宏顾磊等.高钢级管道环焊缝表观断裂韧性影响因素数值模拟.油气储运():.白永强汪彤吕良海等.油气管道内部轴向表面半椭圆裂纹弹塑性断裂分析.石油化工高等学校学报():.吴锴张宏杨悦等.考虑强度匹配的高钢级管道环焊缝断裂评估方法.油气储运():.杨叠苗绘邓俊等.大口径 钢级管道环焊缝断裂韧性需求研究.焊接技术():.孟强庄传晶冯耀荣等.环焊缝强度匹配对长输管道性能的影响.焊管():.何小东高雄雄.不同强度匹配的 钢环焊接头力学性能及变形能力.油气储运():.(.().):.:(责任编辑:冼春梅方灵子)(上接第 页).().张庆芳孟庆峰.对称配筋偏心受压柱判断大小偏心的分歧与解决.建筑结构():.黄靓王蓥鲁懿虬.对称配筋钢筋混凝土小偏心受压构件简化计算方法.工程力学():.祝磊叶桢翔.对钢筋混凝土矩形柱小偏心受压计算方法的讨论.建筑结构():.高丽何明胜曾晓云.对称配筋偏心受压构件大小偏心受压判别的研究.结构工程师():.():.:(责任编辑:黄容)第 期 王静等:强度匹配对含裂纹缺陷 钢管道断裂参量的影响