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含缺陷管件的抗彎曲特性

更新时间:2019-11-30 23:05人气:2582
對於管體的承載能力及安全性研究,很多職員已做了大量的研究工作,也已有好幾種評價的方法或標準。ASME B3lG 和CAN/CSA-Z184已成為損傷管線安全性評價的確定性方法[1 ],被廣泛利用。有些學者用ASME B31G方法來評估含腐蝕缺陷管線的剩餘強度,以為結果是滿足的,但有時過於守舊,並提出了一些建議 “]。趙新偉通過引進新的參數提出一個評價改進模型 ] ,K.Miyazaki等人通過彎曲試驗驗證彎曲極限力矩與淨截麵應力法(net—section stress approach)所得的塑性垮塌力矩是相符的_6],Shu對於含缺陷管複合加載下的塑性有限載荷給出了其通解,可用於單一或複合加載情況下的管道評價 ]。這些都是對於實際服役管線的安全性評價和剩餘壽命展看判據的完善和補充。 本文研究分析了評定含缺陷管彎曲特性的NSC準則,發現其極限彎矩與缺陷長度無關,采用B31G提出的包含腐蝕缺陷長度的剩餘管壁厚度t 代替NSC準則中的刁涉及到的管壁厚度t,得到了包含缺陷長度的極限彎矩修正公式,並選用J55油套管,在外表麵預製2種深度的不同長度的缺陷,通過3點彎曲對稱加載進行了驗證,同時利用電子掃描顯微鏡(SEM)得到彎曲斷裂形貌。1 基於NSC準則的極限加載分析 NSC準則是用來分析含缺陷壓力管道失效極限載荷的估算方法或判據,因其概念明確、形式簡單而成為國際上各首要管道缺陷評定規範的首要方法根據[8]。由Kanninen等人提出的淨截麵垮塌失效準則_9 以為,管線發生泄漏和破裂的應力作為在斷裂開始和最大載荷時臨界淨應力。當管線達到垮失效時,其結構上的淨截麵應力等同於管線的流變應力 。為了守舊估算,缺陷的走向處於徑向平麵上,這一徑向截麵與最大彎矩的平麵是一致的,由彎矩的平衡關係可確定含缺陷管的失效極限載荷。為了便於簡化 ,所研究的管道為一薄壁的圓筒 ,其壁厚(£)相對管半徑(尺)很小,即(t/R)《1,則鄙人列關係中t/R不再作為參數考慮。對於無內壓和軸向應力的僅有彎曲應力的對稱加載,其管線缺陷中性麵圖1 管壁外表麵缺陷L和彎曲受力示意圖Fig.1 Scheme of bending force of pipe with defect L on outer su***ce和彎曲受力如圖1所不 。在以上假定的條件下,失效極限力矩可表示如下E :當 +J9< 時,=== ~ ) ㈩M≈4 。R (sinp— sin )≈Mo(sinp一 sin (2)當 十J9> 時 ,一 (2 + 一 ) ㈣M≈4aoR~ ( si + sin )≈( s + sin (4)式中,叩=(£一d)/t;R 為管道的均勻半徑; 為管道材料的屈服強度;M 和M。分別是含缺陷管和無缺陷管的失效極限彎矩。失效極限彎矩比M/M0與缺陷周向張角的一半 /7c之間的關係如圖2所示 圖2中直線將不同的曲線分為2部分:直線左邊是 + < 時的情況,右邊是 + 時的情況,是以直線就是 +盧一 ,也就是E述2種情況改變點。2 改進的NSC方法從NSC方法可以看到,失效極限載荷與缺陷長度無關。但是缺陷管的彎曲試驗和爆破試驗表明 ,當缺陷長度大於一定數值後,彎曲的極限載荷與其無關,而小於這一數值時,缺陷長度明顯地影響極限載荷的大小。根據文獻[1O] ,用包含腐蝕缺陷長度的tcorr經驗公式代替上述公式(1)~(4)中刀所涉及到的缺陷厚度t,則其結果將更為公道 即:圖2 NSC準則缺陷管的M/Mo與O/n的關係Fig.2 M/M.VS O/n for pipes withdefec t according to NSC£一 ===_———t—- d—一1 —————————竺 ——————~√ +o.8(往)。= — —1-—d /—t逐一1 ——........ ...................!:!:. ..................一z√ +o.8(往)。二1√ +o.4(往)。式中,D=2R 。則公式(1)~(4)變為:當 + <7c時,= 號( 一 )M≈4aoR2 (sin 一 sin )≈Mo(sinJ9 sin )當 + 7c時,(盧=鑫(2 + 一 ) ㈩M≈4aoRZ~t(rk si + sin 1≈Mo fr]oo.sinfl+ sin01 (1o)圖3是改進NSC準則在張角20=丌時極限彎矩比M/Mo與 (即L/~/, )的關係。同樣隨著缺陷長度的變化,極限彎矩隨之減小,在|0<1.5時急劇減小,在 >3時變化極為緩慢而趨於恒定。其恒定值隨著缺陷深度加大,愈來愈小且加快速度。3 試驗檢驗選取常用J55油套管作為3點彎曲的預製缺陷管材,尺寸規格為:外徑D。一140.6 mm,內徑D,一124.6 mm,壁厚t一8.0 mm,管長Lo=820 mm。J55鋼管材料的力學性能為:屈服強度R =404.14MPa,抗拉強度R 一661.97 MPa,伸長率A一21.31 9/6。在管外側中心兩邊對稱地銑出下列規格的預製缺陷:周向張角20一丌,缺陷深度d分別為4.0 mm和6.4 mm,對應缺陷長度分別為10、15、2O、4O、80 mm和6、15、2O、40、80 mm。為了保證3點的線接觸,防止點接觸導致管壁的凹陷,便宜了與管外徑相同的3個半圓形支架應用於該管的3點彎曲試驗。試驗是在英國IN—STRON公司生產的1346型1 MN 拉伸機上完成的 ,計算機主動采集數據。通過彎曲試驗的載荷與撓度曲線求取屈服載荷和抗彎強度 ,分別采取GB/T14452—93所給的計算方法。將預製缺陷管水平對稱放置於2下支架上,上壓頭對稱地背對缺陷部位下移使其彎曲 ,直至缺陷部位發生斷裂或垮塌為止。試驗操縱條件是 :下支架跨距600 mm;上壓頭位移速度2 mm/min。缺陷管斷裂處的形貌采用Philips公司的XL一20型SEM 掃描電鏡觀察 。4 結果與討論4.1 3點彎曲的載荷與位移曲線圖4和圖5是無缺陷管和缺陷深度分別為d一4 mm(d/t=0.5),6 mm(d/t:0.8)時不同缺陷長度的彎曲載荷與位移(撓度)曲線。從兩圖對比中可以看到,隨著缺陷深度的不同,極限彎曲和最大的載荷隨之不同,缺陷深度越大,最大載荷越小。在小位移範圍內的彈性彎曲部分,缺陷深度越大,其斜率越小,彈性彎曲極限也越小 ,其斷裂的塑性變形越小。4.2 彎曲斷裂形貌在彎曲加載時,對於無缺陷的完整管,由於應力1一 t=O.L=O2 ,=0.5.J已 l03一 FO 5., =154-d/mO 5,L=205一 產0.5 ,J已 406一d/t-O.5.L=80426—50 2 4 6 8 l0 l2 l4 l6撓度/ram圖4 d/t-~O、0.5時的彎曲載荷與撓度曲線對比Fig.4 Curv~ of load-flexure extension for pipeswith defect of different length(d/t=0 and 0.5)圖5 d/t--0、0.8時的彎曲載荷與撓度曲線對比Fig.5 Curv~ of load-flexure extension for pipeswith defect of different length(d/t=0 and 0.8)0 0 0 0 0 0 0 0 0 ∞ 加 :2 m(a)無缺陷管彎曲外貌; (b)缺陷為d/t m-0.8、L=40 mm彎曲斷裂外貌; (c)缺陷處斷口的SEM 形貌圖6 有沒有缺陷管的彎曲外貌和斷口SEM 形貌Fig.6 Appearance and morphology of flexure fracture of pipes with or without defect分布在較大的範圍且均勻,塑性變形很大,是以在位移相當大範圍內僅發生彎曲凹陷,管截麵橢圓化,如圖6(a)。而對於含預製缺陷管,當載荷達到最大後缺陷部位受到張應力而發生斷裂(圖6(b)),彎曲載荷急劇減小。圖6(c)是缺陷深度d/t一0.8時斷麵的SEM 形貌,斷裂特征屬於微孔聚集型韌性斷裂。4.3 失效極限彎矩與缺陷長度的關係由上述NSC準則中可看到,失效極限彎矩與缺陷長度無關,但從圖3和圖4看到,缺陷長度越大,極限載荷越小 。圖7是張角20=丌時2種不同缺陷深度管的失效極限彎矩隨.0的變化與改進NSC準則理論曲線的對比。可看到,極限彎矩試驗結果明顯地受缺陷長度的影響,特別是缺陷深度d/t一0.8在較小的缺陷長度範圍或lD<1.0內,急劇下降;當lD增加,極限彎矩緩慢減小,直至p>1.0後不再明顯隨缺陷長度而變化,這一點與文獻E9]的有限元分析結果一致。與改進NSC準則對比,試驗數據與其還存在差距,比較而言 / 一0.8時相差更大些。但對於不同缺陷深度時NSC準則的改進計算值與試驗數值相比, / 一0.5時基本吻合,d/t一0.8時略大,但二者變化有接近的趨勢。造成這一結果的啟事在於NSC準則中並未考慮到不同彎曲加載缺陷部位的應力集中或分布是不同的而導致不同彎曲加載方式下含缺陷管失效彎矩大小不同。4.4 抗彎強度與缺陷長度的關係圖8是張角20=丌時2種不同缺陷深度管的抗彎強度與無缺陷管的抗彎強度之比 / 。隨p的變化及其擬合曲線。其擬合曲線如下:當d/t=0.5時 ,一0.837十0.162e‘ 。392) (11)O'bb. 0當d/t:0.8時,圖7 試驗失效彎矩與NSC準則改進對比Fig.7 Limit moments measured andcalculated with modified NSC圖8 試驗抗彎強度與缺陷長度的關係Fig.8 Relationship between flexurestrength and defect length一0.393+ 0.597e<p/。·1 9 7 (12)O'bb.o同彎矩隨缺陷長度的變化相似的是,O'bb/a bb_ 。也隨缺陷長度的變化,在較小的缺陷長度範圍(p<O.6)內,下降較快,隨後下降減緩,最後在p>1.3時趨於恒定。不同缺陷深度的恒定值不同 ,d/t:0.5時其fbb/a bb_。的恒定值為0.837,d/t===0.8時為0.393。說明同等條件下缺陷越淺,缺陷處剩餘管壁厚度越厚,其撐持感化越大,同時其變形也越大,變形硬化越強,則其不隨缺陷長度變化的抗彎強度恒定值就越大。5 結論(1)彎曲的載荷與位移曲線,同一般韌性金屬或合金的拉伸曲線相似,缺陷深度和長度越大,屈服和斷裂的載荷及塑性變形越小;斷裂截麵呈現微孔聚集型韌性斷裂。(2)缺陷管彎曲的極限彎矩和最大載荷明顯受缺陷長度的影響,在較短缺陷時隨其增加而減小,在較長缺陷時不隨之變化,為一恒定值。(3)彎曲試驗數據與改進NSC準則的展看結果較吻合,缺陷較深負偏差稍大1頁

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