约束修正失效评定曲线及内压管道失效分析.pdf

第27卷第1期应用力学学报 2010年3月CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS :2008-08-22 修回日期:2010-01-26 第一作者简介:吴春笃,男,1962年生,博士,扬州环境资源职业技术学院,教授;研究方向——环境工程。通讯作者:王钟羡E-mail:wzx-5566@ 文章编号:1000-4939(2010)01-0086-04 约束修正失效评定曲线及内压管道失效分析吴春笃1王钟羡2(扬州环境资源职业技术学院 225127 扬州)(江苏大学 212013 镇江)摘要:用A2参数描述裂纹尖端约束效应,考虑裂纹尖端约束水平对断裂阻力的影响,对R6失效评定曲线进行修正。以X80钢为例,根据不同约束水平试件测试得到的JR–△a曲线,给出了与裂纹尖端约束相关的失效评定曲线。在使用有限元对带裂纹内压管道进行弹塑性分析的基础上,利用失效评定曲线对失效载荷进行预测;与试验结果比较表明:采用约束修正失效评定曲线,在对存在缺陷的构件进行安全性评定、寿命评估、失效概率计算时,考虑约束效应对断裂韧度的影响可以更充分地发挥构件的强度潜力。关键词:失效评定曲线;约束效应;裂纹;内压管道中图分类号: TB12 ; TK222文献标识码: A 1 引言研究管线钢裂纹尖端的约束及其对断裂韧性的影响对于管道及压力容器的设计和安全评价具有重要意义。裂纹尖端约束的改变会影响裂纹解理断裂和延性撕裂阻力,但目前对缺陷构件进行失效评定时是把高约束试样的断裂参数直接应用到低约束的构件中,这会导致断裂计算偏于保守。通常对含有缺陷的钢管的失效评估程序采用由塑性失效分析[1]得到的单一化失效准则,但对于韧性较好的石油天然气管道而言材料的失效(泄漏或突然破裂)在大多数情况下是随着裂纹缓慢且稳定地扩展达到临界裂纹尺寸产生的。正如JR曲线所描述,随着钢管载荷的增加,裂纹持续的韧性撕裂会超过惯用分析的限度。因此考虑与裂纹尖端约束相关的JR曲线非常必要。R6评定方法已将脆断评定与塑性失效评定相结合,用失效评定图(Failure Assessment Diagram FAD)表示材料的失效状态[2]。本文采用A2参数描述裂纹尖端约束效应,考虑裂纹尖端约束水平对断裂阻力的影响,对R6失效评定曲线进行修正。在此基础上,本文以X80钢为例,根据不同约束水平试件测试得到的JR–△a曲线,给出与裂纹尖端约束相关的失效评定曲线。用有限元对带裂纹内压管道进行弹塑性分析,利用失效评定曲线对失效载荷进行预测,并与试验结果进行比较。结果表明:采用约束修正失效评定曲线可以更充分地发挥构件的强度潜力。 双参数弹塑性断裂理论以HRR 应力奇异场为基础的弹塑性J 积分准则在韧性材料弹塑性断裂分析中得到了广泛应用,然而要确定一个与试件形状、尺寸、裂纹几何形状等因素无关的材料断裂韧性参量还有很多困难。因此裂纹尖端约束效应的研究引起了广泛的关注。文献[3-8]发展了K-T、J-Q、J-A2等双参数断裂理论,第1期吴春笃,等:约束修正失效评定曲线及内压管道失效分析87分别用T、Q、A2等参数定量描述裂纹尖端弹性和弹塑性应力场的约束效应。在弹塑性断裂分析中材料的应力-应变关系用Ramberg-Osgood 幂强化函数表示为n)(000σσασσεε+=(1)式中:0σ为屈服应力;00/Eεσ=(其中E为杨氏模量);α为材料常数;n为应变强化指数。在复杂应力状态下,应力应变关系可写为100003(1 )δ()2ijijijnkkeijSvvεσσσα0εσσσσ?=+ ?+(2)其中:一项中重复出现的下标kk表示求和约定;ν为泊松比;δ/3ij ij kk ijSσσ=?为应力偏量;为δijKronecker delta 符号;2/3ijijeSS=σ为 Mises 等效应力。文献[7-8]在分析裂纹尖端弹塑性渐近场的基础上提出用J-A2 三项解来表示裂纹尖端场(用J 描述载荷水平,用A2 作为约束参数),即(1)000(2)2(3)22(,)()[()(,) ( ) ( , ) ( ) ( , ) ] ,ijSSijnSSijijrJrnIL LrrAnA nLLσθσθσαεσσθ σθ?=+%%%+111Sn=?+(3)其中:In 和Sk(S1<S2<S3)是只依赖硬化指数n 的常数,对于n≥3,有S3=2S2-S1;),(~)(nkijθσ是量纲一的应力函数;L为特征长度,可取为1mm;约束参数A2 可以通过在裂纹前端量纲一的特征距离内(θ= 0,r J /0σ=1,2,…,5) 将式(3)所描述的