夏 静1 ,霍立兴1 ,白秉仁2 ,李小巍2 ,曹 军2
(11 天津大学材料科学与工程学院,天津 300072;21 中国海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)
摘 要:本研究在给定裂纹尺寸和载荷条件下,根据CTOD(裂纹尖端张开位移) 试验结果,先后采用英国标准协会提出的BS7910 标准和欧共体提出的结构完整性评定方法SINTAP ,针对EH36 管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行评定。根据拉伸试验结果, 建立了管线钢焊接接头的评定曲线。评定结果表明,应用BS7910 标准进行评定时,各评定点不在评定曲线定义的范围内,说明该结构不能验收;而使用SINTAP 方法评定,各评定点均在评定曲线定义的范围内,此时结构是可以接受的。本次研究充分说明SINTAP 在强度不匹配方面要求更加详细,评定结果保守性相应地更低。
关键词:BS7910 ;SINTAP;裂纹张开位移;强度不匹配因子;失效评定图;安全评定
中图分类号:TQ055 文献标识码:A 文章编号:1001 - 4837(2005) 07 - 0004 - 04
海底油气输送管道是一种典型的焊接结构, 研究实践均表明,对于焊接管道等结构中存在的缺陷,并非全部都会导致结构破裂失效。因此, 从安全性和经济性的角度考虑, 按某种标准评定其是否允许存在,是工程技术人员及生产单位极其关心的问题。英国标准协会于1999 年发表了最新版本BS7910 :1999[1] 。它被视作全英国结构完整性评定标准, 用于对新结构或已使用结构的完整性进行工程临界评定。1999 年3 月完成的欧洲工业结构完整性评定方法(简称SINTAP[2]) ,是欧洲共同体国家多个研究机关及大学为“合于使用”[3]评定开发统一标准而合作进行的安全评定研究项目。
作者根据EH36 管线钢的拉伸试验结果, 应用BS7910 和SINTAP 两种方法对此管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行了评定。
1 参数确定
1.1 强度和应力—应变曲线对标距均为50 mm,标距内直径均为6 mm 的母材和焊缝标准圆棒试样进行拉伸试验, 得到工程应力—应变曲线及强度数据如图1 和表1 所示。
(a) 母材
(b) 焊缝
图1 母材和焊缝的工程应力—应变关系曲线
1.2 韧性
采用带单边预制疲劳裂纹的3 点弯试样, 按照BS7448 标准( Part :2) [4 ] , 在实际结构的工作温度0℃下进行断裂韧性试验, 得到热影响区和焊缝的断裂韧性试验结果如表2、表3 所示。由于焊接接头中焊缝处的断裂韧性值最小, 按挪威船级社(DNV)标准要求, 本次试验的CTOD 值取焊缝断裂韧性值中的倒数第二个最小值,即011164 进行评定。
表1 焊缝和母材的拉伸试验结果
表2 0 ℃时钢焊缝的断裂韧度
表3 0 ℃时钢热影响区的断裂韧度
1.3 缺陷尺寸
裂纹长度2 c = 5 mm(取所能探伤到的最小值) ,深度a = 212 mm(1217 mm 壁厚的钢管采用8 层焊道,取1 个焊道的高度) ,裂纹位于焊趾部位。
1.4 载荷
海底管线在铺设过程主要受到铺设应力的作用。本次研究中不同水深及水泥涂层厚度下的EH36 管线钢所承受的静态铺设应力如表4 所示。从表4 可以看出,该管线钢在拱弯条件下,水泥涂层厚度为100 mm,水深为73 m 时,所受的轴向应力****(σ1 = 411 MPa) , 并且弯曲应力的****值为280MPa ,此评定采用该****值。残余应力取值014σBs=128 MPa 。采用这样的数据对评价结果是偏安全的。
2 安全评定计算
2.1 BS7910 评定计算
2.1.1 分析等级
结合本次试验材料性能,本次研究应采用BS7910 标准中第一级评定的1A 级和第二级评定[1 ] 。
表4 EH36 管线钢的静态铺设应力
2.1.2 评定结果
根据1A 级、2A 级和2B 级的评定点及评定曲线的基本方程,将计算得到给定裂纹的评定点描入对应的评定图中,评定结果如图2 所示。
(a) 1A 级评定结果
(b) 2A 级评定结果
(c) 2B 级评定结果
图2 评定结果
2.1.3 评定结论
由图2 可以看出,一、二级评定点均不在失效评定曲线定义的范围内。因此, 当裂纹尺寸为2 c = 5mm, a = 212 mm 并承受411 MPa 轴向拉力时, 该缺陷不可以验收。
2.2 SINTAP 评定计算
2.2.1 分析等级
由于本次拉伸试验测得的焊缝和母材的屈服强度比大于10 % ,故选用SINTAP 程序中的第二、三级评定[2] 。
2.2.2 评定结果
管材的塑性极限载荷经过有限元建模后进行计算,有限元模型如图3 所示。再将由SINTAP 基本方程计算得到的给定裂纹的评定点描入二、三级评定图中,结果见图4 。
(a) 管材整体模型
(b) 沿管轴向网格
图3 管材的有限元模型
(a) 二级评定结果
(b) 三级评定结果
图4 评定结果
2.2.3 评定结论
由图4 可以看出,该评定点在二,三级评定曲线定义的范围内。因此, 当裂纹尺寸2 c = 5 mm , a =212 mm 时, 即使承受411 MPa 轴向拉力, 该缺陷也是可以验收的。
3 结语
(1) 本文先后采用英国标准协会提出的BS7910方法和欧共体提出的SINTAP 方法,将失效评定图技术用于压力管道的安全评定, 建立了EH36 管线钢母材和焊缝的评定曲线, 对给定原始裂纹尺寸及载荷条件下焊接接头焊趾处的表面裂纹进行了评估。结果表明,当裂纹深度a = 212 mm,裂纹长度2 c = 5mm,承受411 MPa 轴向拉力时,应用BS7910 标准评定,得到的评定点均不在评定曲线定义的范围内,说明该缺陷是不可接受的。而使用SINTAP方法进行评定后,评定点均在评定曲线定义的范围内,说明可以验收此缺陷。
(2) SINTAP 详细考虑了焊缝和母材的屈服强度匹配影响,细分为屈服强度非匹配性低于10 %或超过10 %两种情况。因此,对焊缝和母材的强度不匹配进行评定, 较BS7910 ,SINTAP 要求更加具体和详细。
参考文献:
[1] BS7910 : 1999 ( incorporating Amendment No11) Guide onmethods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures , British Standards Institution [ S ] . London ,2000API1579 , Recommended practice for fitness - for - ser2vice Washington1
[2] SINTAP (Structural Integrity Assessment Procedures for Euro2pean Industry) [ S]1Project No. BE95 - 1426 , Final Proce2dure November 1999.
[3] 霍立兴. 焊接结构的断裂行为及评定[M] . 北京. 机械工业出版社,2000.
[4] BS 7448(Part 2) : Method for Determination of Critical CTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials [ S] .1997. |
