管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法
2023-04-26 17:00:01 1
管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，包括以下步驟：S1，試驗測定不同厚度試樣的斷裂韌性；S2，採用線性擬合建立斷裂韌性KC隨試樣厚度B變化的線性關係式；S3，基於裂紋尖端塑性區尺寸與試樣厚度的比例關係，建立平面應變狀態下斷裂韌性KC與試樣壁厚B的關係表達式；S4，根據步驟S2中建立的KC-B線性關係式和步驟S3中建立的平面應變狀態下斷裂韌性KC與試樣壁厚B關係式，計算平面應變斷裂韌性KIC和臨界壁厚BS。本發明通過小壁厚試樣斷裂韌性試驗結果計算材料平面應變狀態的斷裂韌性KIC，從而避免巨型式樣和高噸位試驗機的巨大耗費。
【專利說明】管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及管道設計與完整性評估【技術領域】，特別涉及一種管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法。
【背景技術】
[0002]近年來，我國管道建設朝著高鋼級、大口徑、厚壁化的方向發展，西氣東輸二線幹線已經採用了 X80管線鋼，屈服強度達到555MPa以上，最高壁厚達到了 26.4mm，彎管、管件的厚度甚至超過50mm，X900.X100管線鋼的應用研究和試驗段建設已在開展。由於材料強度越高，斷裂敏感性增加，同時隨著管材壁厚的增加，現在大規模應用的高鋼級管線鋼斷裂韌性是否達到平面應變狀態，對管道安全運行是否會帶來重要的影響，已經受到業界專家的關注。
[0003]鋼管壁厚對裂紋尖端的應力應變狀態影響很大。當壁厚由薄向厚轉變時，管體裂紋尖端的應力場逐漸由平面應力轉向平面應變狀態，裂紋尖端常處於三向受拉狀態，對應變的約束高，塑性發展受到限制，使材料容易產生「脆化」的趨勢，從而導致脆性破壞的發生。
[0004]當試樣厚度較小時，試樣裂紋尖端處於平面應力狀態。隨著試樣厚度的增加，平面應力狀態向平面應變狀態過渡。在試樣厚度超過一個臨界厚度之後，材料將完全處於平面應變狀態。試驗結果表明，在一定範圍內，較薄的試樣具有較大的斷裂韌度，隨著試樣厚度的增加，材料的斷裂韌度將逐漸減小，最終趨於一個恆定的較低極限值。已有的研究結果表明，足夠厚度的試樣在完全出於平面應變狀態的條件下，材料的斷裂韌度將不再隨著厚度變化，而是表現為一個恆定的常數，這個常數就是材料的平面應變斷裂韌度，它代表著材料斷裂韌度的下限，這個平面應力狀態到平面應變狀態轉變的臨界壁厚即為工程安全臨界壁厚。斷裂韌性試樣及斷裂韌性值隨壁厚變化見圖1和圖2所示。
[0005]目前，平面應變斷裂韌度Krc在材料的斷裂控制方面已得到廣泛應用，但Kk測試要求試樣尺寸滿足平面應變或小應變條件。對於X80管線鋼等延性金屬來說，要達到這些條件就需要巨型試樣和高噸位的試驗機，耗費很大。
[0006]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題:本領域還沒有一套完整的評估管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的方法。
【發明內容】
[0007]為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法。所述技術方案如下:
[0008]提供了一種管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，所述方法基於較小厚度的試樣對平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的估算，所述方法包括以下步驟:
[0009]SI，試驗測定不同厚度試樣的斷裂韌性，其中，試樣厚度設定為B，斷裂韌性設定為Kc;[0010]S2，採用線性擬合建立斷裂韌性K。隨試樣厚度B變化的線性關係式；
[0011]S3，基於裂紋尖端塑性區尺寸與試樣厚度的比例關係，建立平面應變狀態下斷裂韌性K。與試樣壁厚B的關係表達式；
[0012]S4，根據步驟S2中建立的Ke-B線性關係式和步驟S3中建立的平面應變狀態下斷裂韌性K。與試樣壁厚B關係式，計算平面應變斷裂韌性Krc和臨界壁厚Bs。
[0013]進一步地，步驟SI中所述的不同厚度試樣是指按照斷裂韌性測試標準規定的比例加工的試樣，包括三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。
[0014]進一步地，步驟S2中建立的所述Kc-B線性關係式是按照以下步驟進行的:
[0015]S21，將步驟SI中試驗測定的斷裂韌性K。值，按對應的試樣厚度B由小到大排列；
[0016]522，取1(。的最大值，記為Kmax，其對應壁厚為B。；
[0017]S23，取壁厚B大於或者等於Btl的試樣數據，採用線性擬合，建立K^B線性關係式如下:
[0018]Kc = aXB+c (I)
[0019]式(I)中，a、b為待定係數。
[0020]進一步地，步驟S3中所述的裂紋尖端塑性區尺寸為平面應力狀態下裂紋面的塑性區半徑，平面應力狀態下裂紋面的塑性區半徑與試樣厚度的比值小於某一定值X時，認定試樣達到平面應變狀態；
[0021]平面應力狀態下的裂紋尖端塑性區半徑為:
【權利要求】
1.一種管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，所述方法基於較小厚度的試樣對平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的估算，其特徵在於，所述方法包括以下步驟: SI，試驗測定不同厚度試樣的斷裂韌性，其中，試樣厚度設定為B，斷裂韌性設定為K。； S2，採用線性擬合建立斷裂韌性K。隨試樣厚度B變化的線性關係式； S3，基於裂紋尖端塑性區尺寸與試樣厚度的比例關係，建立平面應變狀態下斷裂韌性K。與試樣壁厚B的關係表達式； S4，根據步驟S2中建立的&-B線性關係式和步驟S3中建立的平面應變狀態下斷裂韌性K。與試樣壁厚B關係式，計算平面應變斷裂韌性Kk和臨界壁厚Bs。
2.根據權利要求1所述的管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特徵在於，步驟SI中所述的不同厚度試樣是指按照斷裂韌性測試標準規定的比例加工的試樣，包括三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。
3.根據權利要求2所述的管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特徵在於，步驟S2中建立的所述&-B線性關係式是按照以下步驟進行的: S21，將步驟SI中試驗測定的斷裂韌性K。值，按對應的試樣厚度B由小到大排列； S22，取K。的最大值，記為Kmax,其對應壁厚為Btl ； S23，取壁厚B大於或者等於Btl的試樣數據，採用線性擬合，建立&-B線性關係式如下: Kc = a X B+c (I) 式(I)中，a、b為待定係數。
4.根據權利要求3所述的管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特徵在於，步驟S3中所述的裂紋尖端塑性區尺寸為平面應力狀態下裂紋面的塑性區半徑，平面應力狀態下裂紋面的塑性區半徑與試樣厚度的比值小於某一定值X時，認定試樣達到平面應變狀態； 平面應力狀態下的裂紋尖端塑性區半徑為:
5.根據權利要求4所述的管線鋼平面應變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特徵在於，步驟S4中所述的平面應變斷裂韌性Krc和所述的臨界壁厚Bs的計算是: 將式(I)和式(3)聯立求解，所解得的K。即為平面應變斷裂韌性Krc，所解得的B即為臨界壁厚Bs。
【文檔編號】G01N3/00GK103926136SQ201310008460
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月10日 優先權日:2013年1月10日
【發明者】趙新偉, 張華 , 王亞龍, 李娜 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣集團公司管材研究所