陳福來

(中國石油海外勘探開發(fā)公司，北京 100034)

0 引言

大口徑、高壓輸送及采用高鋼級管線鋼是國際輸氣管道工程發(fā)展的一個重要趨勢，輸氣管道對止裂韌性已超出了現(xiàn)有延性止裂預測模型的范圍，為了滿足高強度、高韌性輸氣管線止裂韌性的預測，需新建一個基于斷裂力學原理的延性斷裂止裂韌性測定標準。國內(nèi)外文獻［1－5］表明:CTOA被公認為是一種具有發(fā)展前途的止裂判據(jù)。

筆者在文獻［6－7］中所做CTOA試驗結果表明:臨界斷裂韌性(CTOA)c與試件韌帶厚度有關，而厚韌帶CTOA試件不易獲得(CTOA)c。鑒于此，選用ANSYS有限元軟件［8］對CTOA試件的斷裂過程進行模擬分析，然后通過對比(CTOA)c的有限元計算值與試驗實測值以驗證有限元計算的精度，最后由有限元計算結果擬合得到(CTOA)c預測公式，以方便工程應用。

1 有限元模擬

管線鋼的臨界裂紋尖端張開角(CTOA)c可通過試驗測試獲得，這點已在文獻［6－7］中證實。關于CTOA的試驗測試過程及有限元模型建立在此不再贅述，詳細內(nèi)容可參見文獻［6－7，9］。下面主要介紹CTOA試件擴展的有限元模擬結果分析。

基于文獻［10］實測管線鋼的應力應變關系，有限元模擬過程中采用應力失效準則，若在距裂紋尖端前1 mm處的應力達到(或超過)該管材的實測抗拉極限時，該點就認為開裂即釋放其約束;反之，則繼續(xù)加載直至達到指定值。依此類推，直到滿足條件的節(jié)點約束釋放完畢，裂紋擴展過程模擬結束，輸出不同開裂長度對應的CTOA值。

經(jīng)模擬計算得到CTOA試件的裂尖位置的應力云圖(見圖1)，點A為裂紋尖端，可明顯看出，裂紋尖端前約1 mm處應力最大，且此應力已完全貫穿整個厚度，由此可驗證選取此處應力作為斷裂準則的正確性。

圖1 CTOA試件裂尖處的應力云圖

模擬結果的變形圖顯示，裂紋尖端前約1 mm處沿厚度方向出現(xiàn)最為明顯的凹陷(即點A變形最大)，如圖2(a)所示，在CTOA試件斷裂過程拍攝照片上顯示出在相同位置處(點A)變形也最大，如圖2(b)所示。

圖2 CTOA試件裂紋尖端處沿厚度方向的變形圖

分別對X70，X80管線鋼的4，8和10 mm 三種厚度CTOA試件的斷裂擴展過程進行了有限元模擬計算，并獲得每個開裂長度上的CTOA值，如圖3所示。

圖3示出開裂起始階段CTOA值較大，然后進入相對平穩(wěn)階段;且厚度越大CTOA值平穩(wěn)階段越短，隨后便出現(xiàn)了CTOA值大小劇烈波動的現(xiàn)象，表明裂紋擴展趨于止裂;總體來看，隨試件厚度的增加，平穩(wěn)階段的CTOA越大。

2 (CTOA)c有限元計算值與試驗實測值的對比分析

為了驗證有限元方法的計算精度，有必要對管線鋼的(CTOA)c的有限元模擬計算值((CTOA)c值為開裂部分相對平穩(wěn)階段各開裂點的CTOA平均值)與試驗測量值進行對比。圖4，5分別示出不同鋼級、不同厚度試件的CTOA實測值［6－7］與計算值之間的對比(圖中70 －04 －01表示綱級(X70)－試件韌帶厚度(4 mm)－試件序號(第1個))。

圖3 不同厚度管線鋼的CTOA

經(jīng)對比可得，(CTOA)c的計算值與試驗實測值的偏差范圍為10.38% ～17.5%，可見有限元方法的計算精度可滿足工程應用。

3 (CTOA)c與試件厚度的關系

為了進一步研究(CTOA)c值與試件厚度的關系，對X70管線鋼CTOA試件，分別取8個不同厚度進行了有限元模擬計算;對X80管線鋼CTOA試件，選取6個不同厚度進行了有限元模擬計算。圖6，7分別示出了X70，X80管線鋼CTOA試件厚度與(CTOA)c的關系，可看出隨厚度的增加(CTOA)c也隨之增加，并呈良好的線性關系。

由圖6中結果可擬合得到X70管線鋼的(CTOA)c與試件厚度的關系式為:

式中 (CTOA)c——臨界的裂紋尖端張開角，°

Tw——試件厚度，mm

圖4 X70管線鋼試件的CTOA實測值與計算值對比

圖5 X80管線鋼試件的CTOA實測值與計算值對比

圖6 X70管線鋼CTOA試件的(CTOA)c與厚度的關系

圖7 X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c與厚度的關系

由圖7中結果可擬合得到X80管線鋼的(CTOA)c與試件厚度的關系式為:

4 結論

(1)基于大變形基礎理論，合理確定了節(jié)點起裂的判定準則，進行CTOA試件斷裂擴展的三維有限元模擬計算，獲得了裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段的(CTOA)c值。

(2)不同鋼級、不同厚度試件的臨界斷裂韌性(CTOA)c的模擬計算值與試驗實測值的偏差為10.38% ～17.5%，進而驗證了使用有限元方法進行CTOA試件斷裂擴展過程中CTOA值的模擬計算的可行性。

(3)結果表明，試件厚度越大其CTOA值平穩(wěn)階段越短，即越易止裂;X70，X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c均隨試件厚度增加而增大，并與試件厚度呈良好的線性關系?；谀M計算結果，分別擬合得到X70，X80管線鋼CTOA試件的(CTOA)c的預測公式。

(4)CTOA試件測試試驗和有限元模擬方法均可確定(CTOA)c，可對輸氣管道的止裂設計提供依據(jù)。

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