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第誊第期石油机械年
海底管线疲劳裂纹的寿命分析
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一/ 郭树桥‘易先忠
华靶畜管疆聊套司
’摘要从三维舟质中任意形状裂纹的分析着手,建立了描述复合型裂纹扩展规
律的形变能密度因子准则准则,提出了新的形裂纹简化分析摸型,并对平
面复台型疲劳裂纹的扩展轨迹、速率和剩余寿命作了预测和摸拟。运用此方法对海
底营线疲劳裂纹的寿命进行了分析和评定。该方法对其他工程结构的复合型疲劳裂
纹及扩展规律的描述具有普遍适用性。
主题词查笪壅茎壁堑型墨剩垒主鱼模拟试验丁
钻柱、抽油杆柱和油气管道等的缺陷评定和剩余寿命估算是生产实践中迫切需要解决的
问题。工程材料或构件破坏和失效的主要原因是由于存在着裂纹源和该裂纹源在工作期
间的扩展。人们对纯型疲劳裂纹扩展的研究基本上是充分的。常用的公式, 即
Ⅱ/Ⅳ△,已能够较好地描述型疲劳裂纹扩展的规律。然而在实际生产中, 常
遇到的是复合型疲劳裂纹的扩展问题,这是公式不能解决的。因此,势必要提出一种
新的理论,以适应于复合型疲劳裂纹的扩展⋯⋯⋯。笔者从三维介质中任意形状裂纹的分析
着手,建立了描述复合型裂纹扩展规律的形变能密度因子准则准则, 构造了新的形
裂纹简化模型,形成了一整套预测复合型疲劳裂纹扩展轨迹、速率和剩余寿命的方法,并将
其应用于带裂纹源海底管线的分析之中。该方法对其它工程结构的复合型疲劳裂纹及扩展规
律的描述具有普遍的适用性。
复合型疲劳裂纹的扩展
. 准则简述
对于一个承受复台型载荷的裂纹体,形变能密度因子准则认为,对裂纹扩展起主要决定
作用的物理量是裂纹体尖端的形变能密度//。图所示的三维介质中的任意裂纹体。
其裂尖附近任一点的形变能密度是
· 郭树桥,,现从事钻采工艺及设备的开发与质量管理
工作,任机僖厂尉厂长。地址:河北省任丘市。电话∞办或宅。
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石油机械% 年
/ / 一—一乞
将应力分量、、、、见文献
代入上式,并定义
/ / /
式中: 为材辩弹性模量; 为形变能密度因子。于
是有
鹧砖
周三雄介质中的任意裂纹体其中砖一;
一,;丑一—;
上式中: 蜀、、飓分别为三维介质中任意裂纹体尖端的、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子; 、
、是裂纹边界上任一点的球坐标;常数, —/ 平面应变; 砖/ 平面
应力; 是材料的泊松比。
准则认为裂纹扩展服从以下规律: 三雏介质中任意形状裂纹体的静态扩展方向
是枯着裂纹边界某点形变能密度因子极小的方向; 当此方向的形变能密度因子大于某临
界值时,这点就发生开裂;整个裂纹体将从边界上首先满足的那个部位开始起裂。
.复台型疲劳裂纹的扩展
把上述的形变能密度因子丘和纯型裂纹循环加载的公式联合起来, 可以得
到一个新的描述复合型疲劳裂纹扩展速率的方程
/ △
式中:△△△笠△△,△、△、△分别
是、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子的变化幅度。
复合型疲劳裂纹的扩展方向可仍用上述的准则来确定, 因为对循环载荷
与稳定载荷下裂纹开裂角所傲的实验结果表明,二者的差异不大。

△: 砟一
由准则知,此