孫 宏，宗秋麗，劉振偉，唐瑤瑤 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

管線鋼管的止裂預測

孫 宏，宗秋麗，劉振偉，唐瑤瑤 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

針對過去十年中管道韌性斷裂的止裂預測與全尺寸試驗結(jié)果不相符，致使標準預測工具對現(xiàn)代管道設計的適用性出現(xiàn)的問題。SZMF公司開發(fā)出了新的止裂預測方法?；谀芰康呐袛鄳紤]到材料韌性的止裂壓力預測。在有限元模型的數(shù)值方法中，代表材料抗力的基于能量的內(nèi)聚區(qū)模型包含了材料損失，材料的力學性能特征值根據(jù)預制疲勞裂紋試樣的落錘撕裂試驗（DWTT）來確定。

焊管；管線鋼管；止裂；落錘撕裂試驗；預測

0 前 言

隨著鋼鐵行業(yè)的不斷發(fā)展，管線鋼的強度和韌性不斷提高，建立了35年之久的長程韌性斷裂止裂方法已不能滿足管道系統(tǒng)新鋼種的要求。夏比沖擊功已經(jīng)作為材料的韌性和止裂預測的一個重要參數(shù)。過去的幾年中，全球的研究人員都在研究更好地評價材料韌性的試驗方法。落錘撕裂試驗(DWTT)，通過斷口表面形貌來評定轉(zhuǎn)變溫度，成為了研究的焦點。最近研究主要是試樣修正和影響啟裂的缺口加工工藝，試驗結(jié)果為擴展速度和韌性參數(shù)。裂紋尖端張開角通過高速攝影機對破壞時的試樣進行觀察測得。遵循標準的斷裂力學方法，SZMF公司進行的研究工作致力于依據(jù)動態(tài)止裂曲線Jd-Δa在代表韌性失效行為的落錘撕裂試驗中得出能量參數(shù)。

1 通過J積分獲得韌性

在斷裂力學中，J積分是一個被廣泛接受的參數(shù)。它是一個衡量材料抵抗裂紋擴展或與局部結(jié)構應力有關的裂紋尖端載荷。確定材料特征值的試驗根據(jù)標準是ISO 12135，BS 7448-1和ASTM E1820。后者提供了一個最新的對J值進行修正的確定止裂曲線的程序。試驗所選的試樣類型與落錘撕裂試驗標準試樣的尺寸接近，主要差異是預制疲勞裂紋的初始裂紋深度a0與試樣高度W的比值為0.3。選擇這個值有兩個原因：①與常規(guī)落錘撕裂試驗相比，由于連接處更窄，試樣的載荷條件更傾向于彎曲；②通過有限元模擬的數(shù)值研究表明，在相關的裂紋尖端載荷下，含有貫穿整個壁厚的縱向缺陷的鋼管在內(nèi)壓下a0/W=0.3時的約束在該范圍內(nèi)。

為了從三點彎曲試驗中獲得J積分，要記錄裂紋張開位移（CMOD）或載荷線位移vLL。在SZMF程序中，vLL是以間接方式測量的。在試驗過程中連續(xù)記錄錘頭的位置，用以表示試樣的撓度，根據(jù)撓度和時間的關系可以推導出錘頭的速度v，結(jié)合記錄的錘頭載荷，就可以繪出載荷F和速度v對位移vLL的曲線，如圖1所示。

圖1 低能量時公稱載荷和錘頭速度與位移的關系

2 止裂曲線推導

通過不同能量值的預制疲勞裂紋落錘撕裂試樣，可以得到不同的裂紋擴展水平。博梅和施密特也應用了一個類似的程序來確定動態(tài)J-R曲線。試驗后通過熱染標識韌性斷裂區(qū)域，最終顯示斷裂的區(qū)域為解理斷裂。典型的斷裂表面形貌如圖2所示。

圖2 不同能量水平的斷口表面形貌

根據(jù)一系列試樣，確定了韌性斷裂擴展Δa值和對應的J積分值。標準的動態(tài)止裂曲線如圖3所示。除了來源于基本方法和相應的勢擬合得到的J值結(jié)果，還給出了為斷裂擴展修正的J值的勢擬合。對于更大數(shù)量的Δa，基本程序和新增程序之間的差異變得越來越重要?；境绦驎е路浅８叩捻g性值。由于這里省略了斷裂擴展對試樣破壞的影響，通過基本程序得到的韌性值必須謹慎，尤其是對于J-Δa曲線的上部，材料的斷裂擴展抗力顯然被高估了。

圖3 標準的動態(tài)止裂曲線

3 小尺寸數(shù)值試驗方法

為了將DWTT加入到試驗方法中，設計了一個有限元模型，將韌性斷裂擴展的材料損失加入到了內(nèi)聚區(qū)模型（CZM）。內(nèi)聚區(qū)模型是損傷力學中適用于各種損傷模型的現(xiàn)象學方法，它是由材料特性值定義的，并通過小尺寸試驗方法確定，與其他損傷力學模型相比，這是一個校準成本不高且較為容易的方法。

模型中管道的破壞行為是通過材料特性值定義的。兩個特定參數(shù)必須量化，即分離強度T0和內(nèi)聚能Γ0，這是在小尺寸試驗的基礎上完成的。將第一次試驗的有限元模擬結(jié)果與標準的DWTT數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，F(xiàn)-vLL曲線的形狀基本一致，有限元模型的總體載荷水平較低。位移vLL在0.15～0.5之間的錘頭減速較好，隨著試驗的進行，有限元模型中的錘頭速度升高且試驗數(shù)據(jù)的偏差也較大。第二次試驗時的有限元模型將考慮到應變速率的影響，加入應變速率也涉及到了T0和Γ0的再校準，這樣曲線的一致性有望得到提高。

圖4 有限元模擬結(jié)果與標準值的比較

4 應變速率敏感性的影響

為了涵蓋高應變速率的影響，進行了一系列高速率拉伸試驗。試驗結(jié)果表明，高應變速率下得到的特征值主要是公認的更高的強度。就數(shù)值模型而言，這可以由流變曲線的上移得到。在考珀和西蒙茲推導方法的基礎上確定了強度的增加值。由5種速率水平確定的常規(guī)屈服強度如圖5所示，藍色曲線為應用考珀—西蒙茲公式的結(jié)果。

圖5 常規(guī)屈服強度與應變速率的關系

5 結(jié) 語

闡述了管線鋼管止裂預測的兩種補充思路，用分析的方法從動態(tài)止裂曲線Jd-Δa推導出韌性特征值，其代表材料的斷裂擴展抗力R（J）。這種材料抗力與結(jié)構應力S(D,t,p,σ)相平衡，該應力由特定的鋼管尺寸、壓力和材料強度決定。對于極限狀態(tài)設計， 止裂壓力可以由 S(D,t,p,σ)≤R（J）來預測。

在鋼管構件的有限元模型中，CZM方法完全涵蓋了有關材料損失的斷裂擴展，因此，材料的斷裂擴展抗力R很好地得到明確。斷裂擴展的驅(qū)動力是內(nèi)壓力p，其在縱向（特別是與裂紋尖端相對方向）和周向的局部分布必須確定。此外，還必須與整體管道的變形相適應，因為斷裂擴展和減壓是持續(xù)進行的，所以這是一個瞬態(tài)的過程，是一個非常復雜的問題。

譯自：ALEXANDER VOLLING，MARION ERDELEN PEPPLER，CHRISTOPH KALWA.Predicting Crack Arrest in Line Pipes[C]//Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference.Greece:Rhodes,2012：17-22.

Predicting Crack Arrest in Line Pipes

Translated and Edited by SUN Hong,ZONG Qiuli,LIU Zhenwei,TANG Yaoyao
(North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Qingxian 062658，Hebei,China）

As predicted ductile fracture arrest in line pipes more and more failed to match with the outcome of full-scale tests within the last decade,the applicability of standard prediction tools to modern pipeline design is put into question.To overcome this shortcoming,research at SZMF is focused on deriving a novel approach to crack-arrest prediction.Two independent routes are being followed.An analytical,energy based criteria shall allow for arrest pressure predictions involving a material toughness value.In a numerical approach by FEM,material damage is covered by an energy based cohesive zone model representing material resistance.The characteristic mechanical material quantities are determined by DWT testing involving pre-fatigued specimens.

welded pipe;line pipes;crack arrest;DWTT;prediction

TG111.91

B

1001－3938（2015）04-0070-03

孫宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，從事石油輸送鋼管材料與試驗技術工作。

2014-10-09

李 超