陳福來

(中國石油海外勘探開發(fā)公司，北京 100034)

0 引言

大口徑、高壓輸送及采用高鋼級(jí)管線鋼是國際輸氣管道工程發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，輸氣管道對(duì)止裂韌性已超出了現(xiàn)有延性止裂預(yù)測(cè)模型的范圍，為了滿足高強(qiáng)度、高韌性輸氣管線止裂韌性的預(yù)測(cè)，需新建一個(gè)基于斷裂力學(xué)原理的延性斷裂止裂韌性測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外文獻(xiàn)［1－5］表明:CTOA被公認(rèn)為是一種具有發(fā)展前途的止裂判據(jù)。

筆者在文獻(xiàn)［6－7］中所做CTOA試驗(yàn)結(jié)果表明:臨界斷裂韌性(CTOA)c與試件韌帶厚度有關(guān)，而厚韌帶CTOA試件不易獲得(CTOA)c。鑒于此，選用ANSYS有限元軟件［8］對(duì)CTOA試件的斷裂過程進(jìn)行模擬分析，然后通過對(duì)比(CTOA)c的有限元計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值以驗(yàn)證有限元計(jì)算的精度，最后由有限元計(jì)算結(jié)果擬合得到(CTOA)c預(yù)測(cè)公式，以方便工程應(yīng)用。

1 有限元模擬

管線鋼的臨界裂紋尖端張開角(CTOA)c可通過試驗(yàn)測(cè)試獲得，這點(diǎn)已在文獻(xiàn)［6－7］中證實(shí)。關(guān)于CTOA的試驗(yàn)測(cè)試過程及有限元模型建立在此不再贅述，詳細(xì)內(nèi)容可參見文獻(xiàn)［6－7，9］。下面主要介紹CTOA試件擴(kuò)展的有限元模擬結(jié)果分析。

基于文獻(xiàn)［10］實(shí)測(cè)管線鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，有限元模擬過程中采用應(yīng)力失效準(zhǔn)則，若在距裂紋尖端前1 mm處的應(yīng)力達(dá)到(或超過)該管材的實(shí)測(cè)抗拉極限時(shí)，該點(diǎn)就認(rèn)為開裂即釋放其約束;反之，則繼續(xù)加載直至達(dá)到指定值。依此類推，直到滿足條件的節(jié)點(diǎn)約束釋放完畢，裂紋擴(kuò)展過程模擬結(jié)束，輸出不同開裂長度對(duì)應(yīng)的CTOA值。

經(jīng)模擬計(jì)算得到CTOA試件的裂尖位置的應(yīng)力云圖(見圖1)，點(diǎn)A為裂紋尖端，可明顯看出，裂紋尖端前約1 mm處應(yīng)力最大，且此應(yīng)力已完全貫穿整個(gè)厚度，由此可驗(yàn)證選取此處應(yīng)力作為斷裂準(zhǔn)則的正確性。

圖1 CTOA試件裂尖處的應(yīng)力云圖

模擬結(jié)果的變形圖顯示，裂紋尖端前約1 mm處沿厚度方向出現(xiàn)最為明顯的凹陷(即點(diǎn)A變形最大)，如圖2(a)所示，在CTOA試件斷裂過程拍攝照片上顯示出在相同位置處(點(diǎn)A)變形也最大，如圖2(b)所示。

圖2 CTOA試件裂紋尖端處沿厚度方向的變形圖

分別對(duì)X70，X80管線鋼的4，8和10 mm 三種厚度CTOA試件的斷裂擴(kuò)展過程進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，并獲得每個(gè)開裂長度上的CTOA值，如圖3所示。

圖3示出開裂起始階段CTOA值較大，然后進(jìn)入相對(duì)平穩(wěn)階段;且厚度越大CTOA值平穩(wěn)階段越短，隨后便出現(xiàn)了CTOA值大小劇烈波動(dòng)的現(xiàn)象，表明裂紋擴(kuò)展趨于止裂;總體來看，隨試件厚度的增加，平穩(wěn)階段的CTOA越大。

2 (CTOA)c有限元計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析

為了驗(yàn)證有限元方法的計(jì)算精度，有必要對(duì)管線鋼的(CTOA)c的有限元模擬計(jì)算值((CTOA)c值為開裂部分相對(duì)平穩(wěn)階段各開裂點(diǎn)的CTOA平均值)與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。圖4，5分別示出不同鋼級(jí)、不同厚度試件的CTOA實(shí)測(cè)值［6－7］與計(jì)算值之間的對(duì)比(圖中70 －04 －01表示綱級(jí)(X70)－試件韌帶厚度(4 mm)－試件序號(hào)(第1個(gè)))。

圖3 不同厚度管線鋼的CTOA

經(jīng)對(duì)比可得，(CTOA)c的計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的偏差范圍為10.38% ～17.5%，可見有限元方法的計(jì)算精度可滿足工程應(yīng)用。

3 (CTOA)c與試件厚度的關(guān)系

為了進(jìn)一步研究(CTOA)c值與試件厚度的關(guān)系，對(duì)X70管線鋼CTOA試件，分別取8個(gè)不同厚度進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算;對(duì)X80管線鋼CTOA試件，選取6個(gè)不同厚度進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算。圖6，7分別示出了X70，X80管線鋼CTOA試件厚度與(CTOA)c的關(guān)系，可看出隨厚度的增加(CTOA)c也隨之增加，并呈良好的線性關(guān)系。

由圖6中結(jié)果可擬合得到X70管線鋼的(CTOA)c與試件厚度的關(guān)系式為:

式中 (CTOA)c——臨界的裂紋尖端張開角，°

Tw——試件厚度，mm

圖4 X70管線鋼試件的CTOA實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖5 X80管線鋼試件的CTOA實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖6 X70管線鋼CTOA試件的(CTOA)c與厚度的關(guān)系

圖7 X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c與厚度的關(guān)系

由圖7中結(jié)果可擬合得到X80管線鋼的(CTOA)c與試件厚度的關(guān)系式為:

4 結(jié)論

(1)基于大變形基礎(chǔ)理論，合理確定了節(jié)點(diǎn)起裂的判定準(zhǔn)則，進(jìn)行CTOA試件斷裂擴(kuò)展的三維有限元模擬計(jì)算，獲得了裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的(CTOA)c值。

(2)不同鋼級(jí)、不同厚度試件的臨界斷裂韌性(CTOA)c的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的偏差為10.38% ～17.5%，進(jìn)而驗(yàn)證了使用有限元方法進(jìn)行CTOA試件斷裂擴(kuò)展過程中CTOA值的模擬計(jì)算的可行性。

(3)結(jié)果表明，試件厚度越大其CTOA值平穩(wěn)階段越短，即越易止裂;X70，X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c均隨試件厚度增加而增大，并與試件厚度呈良好的線性關(guān)系?；谀M計(jì)算結(jié)果，分別擬合得到X70，X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c的預(yù)測(cè)公式。

(4)CTOA試件測(cè)試試驗(yàn)和有限元模擬方法均可確定(CTOA)c，可對(duì)輸氣管道的止裂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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