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含缺陷管件的抗弯曲特性

作者:亚美真人来源:[亚美真人公司]访问:394时间:2019-12-12

对于管体的承载能力及安全性研究,很多职员已做了大量的研究工作,也已有好几种评价的方法或标准。ASME B3lG 和CAN/CSA-Z184已成为损伤管线安全性评价的确定性方法[1 ],被广泛利用 。有些学者用ASME B31G方法来评估含腐蚀缺陷管线的剩余强度,以为结果是满足的,但有时过于守旧,并提出了一些建议 “]。赵新伟通过引进新的参数提出一个评价改进模型 ],K.Miyazaki等人通过弯曲试验验证弯曲极限力矩与净截面应力法(net—section stress approach)所得的塑性垮塌力矩是相符的_6],Shu对于含缺陷管复合加载下的塑性有限载荷给出了其通解,可用于单一或复合加载情况下的管道评价 ]。这些都是对于实际服役管线的安全性评价和剩余寿命展看判据的完善和补充。 本文研究分析了评定含缺陷管弯曲特性的NSC准则 ,发现其极限弯矩与缺陷长度无关,采用B31G提出的包含腐蚀缺陷长度的剩余管壁厚度t 代替NSC准则中的刁涉及到的管壁厚度t,得到了包含缺陷长度的极限弯矩修正公式,并选用J55油套管,在外表面预制2种深度的不同长度的缺陷,通过3点弯曲对称加载进行了验证,同时利用电子扫描显微镜(SEM)得到弯曲断裂形貌。1 基于NSC准则的极限加载分析 NSC准则是用来分析含缺陷压力管道失效极限载荷的估算方法或判据,因其概念明确、形式简单而成为国际上各首要管道缺陷评定规范的首要方法根据[8]。由Kanninen等人提出的净截面垮塌失效准则_9 以为 ,管线发生泄漏和破裂的应力作为在断裂开始和最大载荷时临界净应力。当管线达到垮失效时,其结构上的净截面应力等同于管线的流变应力 。为了守旧估算,缺陷的走向处于径向平面上,这一径向截面与最大弯矩的平面是一致的,由弯矩的平衡关系可确定含缺陷管的失效极限载荷。为了便于简化,所研究的管道为一薄壁的圆筒,其壁厚(£)相对管半径(尺)很小,即(t/R)《1,则鄙人列关系中t/R不再作为参数考虑。对于无内压和轴向应力的仅有弯曲应力的对称加载,其管线缺陷中性面图1 管壁外表面缺陷L和弯曲受力示意图Fig.1 Scheme of bending force of pipe with defect L on outer su***ce和弯曲受力如图1所不。在以上假定的条件下,失效极限力矩可表示如下E :当 +J9< 时,=== ~ ) ㈩M≈4 。R (sinp— sin )≈Mo(sinp一 sin (2)当 十J9> 时,一 (2 + 一 ) ㈣M≈4aoR~ ( si + sin )≈( s + sin (4)式中,叩=(£一d)/t;R 为管道的均匀半径; 为管道材料的屈服强度;M 和M 。分别是含缺陷管和无缺陷管的失效极限弯矩。失效极限弯矩比M/M0与缺陷周向张角的一半 /7c之间的关系如图2所示 图2中直线将不同的曲线分为2部分 :直线左边是 + < 时的情况,右边是 + 时的情况 ,是以直线就是 +卢一 ,也就是E述2种情况改变点。2 改进的NSC方法从NSC方法可以看到 ,失效极限载荷与缺陷长度无关。但是缺陷管的弯曲试验和爆破试验表明,当缺陷长度大于一定数值后,弯曲的极限载荷与其无关,而小于这一数值时,缺陷长度明显地影响极限载荷的大小。根据文献[1O],用包含腐蚀缺陷长度的tcorr经验公式代替上述公式(1)~(4)中刀所涉及到的缺陷厚度t ,则其结果将更为公道 即:图2 NSC准则缺陷管的M/Mo与O/n的关系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。则公式(1)~(4)变为:当 + <7c时,= 号( 一 )M≈4aoR2 (sin 一 sin )≈Mo(sinJ9 sin )当 + 7c时 ,(卢=鑫(2 + 一 ) ㈩M≈4aoRZ~t(rk si + sin 1≈Mo fr]oo.sinfl+ sin01 (1o)图3是改进NSC准则在张角20=丌时极限弯矩比M/Mo与 (即L/~/ , )的关系。同样随着缺陷长度的变化,极限弯矩随之减小,在|0<1.5时急剧减小,在 >3时变化极为缓慢而趋于恒定 。其恒定值随着缺陷深度加大,愈来愈小且加快速度。3 试验检验选取常用J55油套管作为3点弯曲的预制缺陷管材,尺寸规格为:外径D。一140.6 mm,内径D,一124.6 mm,壁厚t一8.0 mm,管长Lo=820 mm 。J55钢管材料的力学性能为 :屈服强度R =404.14MPa,抗拉强度R 一661.97 MPa,伸长率A一21.31 9/6。在管外侧中心两边对称地铣出下列规格的预制缺陷:周向张角20一丌,缺陷深度d分别为4.0 mm和6.4 mm,对应缺陷长度分别为10 、15 、2O、4O、80 mm和6、15 、2O 、40、80 mm 。为了保证3点的线接触,防止点接触导致管壁的凹陷,便宜了与管外径相同的3个半圆形支架应用于该管的3点弯曲试验。试验是在英国IN—STRON公司生产的1346型1 MN 拉伸机上完成的,计算机主动采集数据。通过弯曲试验的载荷与挠度曲线求取屈服载荷和抗弯强度,分别采取GB/T14452—93所给的计算方法。将预制缺陷管水平对称放置于2下支架上,上压头对称地背对缺陷部位下移使其弯曲,直至缺陷部位发生断裂或垮塌为止。试验操纵条件是:下支架跨距600 mm;上压头位移速度2 mm/min。缺陷管断裂处的形貌采用Philips公司的XL一20型SEM 扫描电镜观察。4 结果与讨论4.1 3点弯曲的载荷与位移曲线图4和图5是无缺陷管和缺陷深度分别为d一4 mm(d/t=0.5),6 mm(d/t:0.8)时不同缺陷长度的弯曲载荷与位移(挠度)曲线。从两图对比中可以看到,随着缺陷深度的不同,极限弯曲和最大的载荷随之不同,缺陷深度越大,最大载荷越小。在小位移范围内的弹性弯曲部分,缺陷深度越大,其斜率越小,弹性弯曲极限也越小,其断裂的塑性变形越小。4.2 弯曲断裂形貌在弯曲加载时,对于无缺陷的完整管,由于应力1一 t=O.L=O2  ,=0.5.J已 l03一 FO 5., =154-d/mO 5,L=205一 产0.5,J已 406一d/t-O.5.L=80426—50 2 4 6 8 l0 l2 l4 l6挠度/ram图4 d/t-~O、0.5时的弯曲载荷与挠度曲线对比Fig.4 Curv~ of load-flexure extension for pipeswith defect of different length(d/t=0 and 0.5)图5 d/t--0、0.8时的弯曲载荷与挠度曲线对比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)无缺陷管弯曲外貌; (b)缺陷为d/t m-0.8、L=40 mm弯曲断裂外貌; (c)缺陷处断口的SEM 形貌图6 有没有缺陷管的弯曲外貌和断口SEM 形貌Fig.6 Appearance and morphology of flexure fracture of pipes with or without defect分布在较大的范围且均匀,塑性变形很大,是以在位移相当大范围内仅发生弯曲凹陷 ,管截面椭圆化,如图6(a) 。而对于含预制缺陷管,当载荷达到最大后缺陷部位受到张应力而发生断裂(图6(b)),弯曲载荷急剧减小。图6(c)是缺陷深度d/t一0.8时断面的SEM 形貌,断裂特征属于微孔聚集型韧性断裂。4.3 失效极限弯矩与缺陷长度的关系由上述NSC准则中可看到,失效极限弯矩与缺陷长度无关,但从图3和图4看到,缺陷长度越大,极限载荷越小。图7是张角20=丌时2种不同缺陷深度管的失效极限弯矩随.0的变化与改进NSC准则理论曲线的对比。可看到,极限弯矩试验结果明显地受缺陷长度的影响,特别是缺陷深度d/t一0.8在较小的缺陷长度范围或lD<1.0内,急剧下降;当lD增加,极限弯矩缓慢减小 ,直至p>1.0后不再明显随缺陷长度而变化 ,这一点与文献E9]的有限元分析结果一致。与改进NSC准则对比,试验数据与其还存在差距,比较而言 / 一0.8时相差更大些。但对于不同缺陷深度时NSC准则的改进计算值与试验数值相比, / 一0.5时基本吻合 ,d/t一0.8时略大,但二者变化有接近的趋势 。造成这一结果的启事在于NSC准则中并未考虑到不同弯曲加载缺陷部位的应力集中或分布是不同的而导致不同弯曲加载方式下含缺陷管失效弯矩大小不同。4.4 抗弯强度与缺陷长度的关系图8是张角20=丌时2种不同缺陷深度管的抗弯强度与无缺陷管的抗弯强度之比 / 。随p的变化及其拟合曲线。其拟合曲线如下:当d/t=0.5时,一0.837十0.162e‘ 。392) (11)O'bb. 0当d/t:0.8时,图7 试验失效弯矩与NSC准则改进对比Fig.7 Limit moments measured andcalculated with modified NSC图8 试验抗弯强度与缺陷长度的关系Fig.8 Relationship between flexurestrength and defect length一0.393+ 0.597e<p/。·1 9 7 (12)O'bb.o同弯矩随缺陷长度的变化相似的是,O'bb/a bb_。也随缺陷长度的变化,在较小的缺陷长度范围(p<O.6)内,下降较快,随后下降减缓,最后在p>1.3时趋于恒定。不同缺陷深度的恒定值不同,d/t:0.5时其fbb/a bb_。的恒定值为0.837,d/t===0.8时为0.393。说明同等条件下缺陷越浅,缺陷处剩余管壁厚度越厚,其撑持感化越大,同时其变形也越大,变形硬化越强,则其不随缺陷长度变化的抗弯强度恒定值就越大。5 结论(1)弯曲的载荷与位移曲线,同一般韧性金属或合金的拉伸曲线相似,缺陷深度和长度越大,屈服和断裂的载荷及塑性变形越小;断裂截面呈现微孔聚集型韧性断裂。(2)缺陷管弯曲的极限弯矩和最大载荷明显受缺陷长度的影响,在较短缺陷时随其增加而减小,在较长缺陷时不随之变化,为一恒定值。(3)弯曲试验数据与改进NSC准则的展看结果较吻合,缺陷较深负偏差稍大1页

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