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        油氣管道環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)現(xiàn)狀與展望

        2020-04-10 04:13:18王富祥雷錚強(qiáng)玄文博考青鵬
        天然氣工業(yè) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:適用性塑性裂紋

        楊 輝 王富祥 陳 健 雷錚強(qiáng) 玄文博 考青鵬

        1.中國石油管道科技研究中心 2.中國石油管道公司 3.中石油管道有限責(zé)任公司

        0 引言

        近年來,國內(nèi)相關(guān)單位已發(fā)生數(shù)起環(huán)焊縫開裂導(dǎo)致的泄漏事故,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1-2]。因此,環(huán)焊縫缺陷適用性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)于保障管道安全運(yùn)行具有重要的意義。為此針對(duì)環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了系統(tǒng)地歸納和總結(jié);對(duì)環(huán)焊縫缺陷進(jìn)行了分類并分別給出了推薦評(píng)價(jià)方法;分析了當(dāng)前環(huán)焊縫適用評(píng)價(jià)遇到的瓶頸問題,并展望了未來研究思路,以期為環(huán)焊縫缺陷安全評(píng)定提供參考。

        1 環(huán)焊縫缺陷評(píng)價(jià)方法

        1.1 基于塑性破壞的強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

        基于塑性破壞的強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法主要是對(duì)造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性破壞的極限應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。塑性失效模式包括3種:局部塑性失效、凈截面塑性失效(Net Section Collapse,NSC)和全截面塑性失效[3]。局部塑性失效模式以缺陷毗鄰剩余韌帶局部達(dá)到塑性屈服為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),凈截面塑性失效模式則是以含缺陷截面達(dá)到屈服時(shí)的應(yīng)力作為塑性極限載荷。局部塑性失效評(píng)價(jià)結(jié)果通常較凈截面塑性失效評(píng)價(jià)更為保守。全截面塑性失效模式用于評(píng)價(jià)遠(yuǎn)離缺陷或不受缺陷影響的結(jié)構(gòu)塑性失效情形。傳統(tǒng)的極限載荷分析通常選用局部塑性失效或凈截面失效模式,代表性方法有Kastner方法[4]、Miller方法[5]、ASME NSC方法[6]等。

        1.2 基于單參數(shù)準(zhǔn)則的斷裂評(píng)估方法

        基于單參數(shù)準(zhǔn)則的斷裂評(píng)估即基于斷裂力學(xué)的工程評(píng)估方法,包括線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)兩種方法。線彈性斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)方法有美國API 1104-2013附 錄A[7]、ASME BPVC Section XI[6]的 附錄C和附錄H等標(biāo)準(zhǔn),是基于材料性質(zhì)和應(yīng)力分析結(jié)果并結(jié)合裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子(K)給出裂紋臨界尺寸,用以評(píng)估脆性斷裂失效,對(duì)韌性較好的管道評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守。彈塑性斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)方法是以斷裂驅(qū)動(dòng)力(J積分)為核心的評(píng)定方法,通過比較載荷作用下管材的J積分與其對(duì)撕裂的阻力(JR阻力曲線)從而得出裂紋起裂和塑性失穩(wěn)的判斷,如美國電力研究所的GE-EPRI方法、Paris-Tada方法、美國核研究委員會(huì)提出的LBB-NRC方法、美國Battelle Columbus研究所的LBB-ENG方法等[8]。J積分的定義復(fù)雜,難以準(zhǔn)確計(jì)算,且不同的方法對(duì)J積分提出了不同的估算方法。運(yùn)用該方法進(jìn)行斷裂失效評(píng)估時(shí),需要進(jìn)行復(fù)雜的斷裂力學(xué)計(jì)算,一般工程人員難以掌握。因此在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。

        1.3 基于塑性破壞和斷裂雙判據(jù)的失效評(píng)估圖法

        基于塑性破壞和斷裂雙判據(jù)失效評(píng)估圖(Failure Assessment Diagram,F(xiàn)AD)的評(píng)價(jià)方法(以下簡稱FAD方法),最早由英國中央電力局提出并形成R6標(biāo)準(zhǔn)[9],后來逐漸發(fā)展并被多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)引用,并不斷更新完善,如英國標(biāo)準(zhǔn)BS 7910: 2015[3]、歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)程序(SINTAP)[10]、美國標(biāo)準(zhǔn)API 579-1-2016[11]、API 1104-2013[7]、加拿大標(biāo)準(zhǔn)CSA Z662-2015[12]和我國的GB/T 19624—2004[13]、SY/T 6477—2017[14]都使用了該方法,也是目前應(yīng)用最為廣泛的方法。

        FAD方法,是一種含裂紋結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)方法。失效評(píng)估曲線(Failure Assessment Curve,F(xiàn)AC)在無量綱坐標(biāo)系Lr—Kr中構(gòu)建(圖1),Kr表示與線彈性斷裂的接近程度,Lr表示與塑性破壞(或極限載荷)的接近程度。Lr和Kr定義如下:

        式中Lr表示載荷比,表征與塑性破壞(或極限載荷)的接近程度;Kr表示斷裂比,表征與線彈性斷裂的接近程度;P和Pref分別表示結(jié)構(gòu)承載及參考載荷,N;σref和σy分別表示參考應(yīng)力和屈服應(yīng)力,MPa;KI、Kmat分別表示裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子和材料斷裂韌性,N/mm3/2;Je、J分別表示彈性J積分和J積分,N/mm。

        圖1 失效評(píng)估圖

        1.4 基于簡化因子的評(píng)價(jià)方法

        美國機(jī)械工程學(xué)會(huì)最先提出了Z因子法,主要應(yīng)用于核電管道,采用撕裂失穩(wěn)載荷作為臨界載荷進(jìn)行評(píng)價(jià),而且保守程度較大[15]。為了克服Z因子法不適用于石油化工薄壁管道的不足,徐宏等[16]初步提出了U因子法,劉長軍等[17]對(duì)U因子法進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并提出了基于通用失效評(píng)估圖的U因子法。該方法被收錄在GB/T 19624—2004附錄G[13]中。U因子的計(jì)算簡單,應(yīng)用方便,是簡化了的FAD方法,但對(duì)于非平面型缺陷過于保守。

        1.5 基于有限元的數(shù)值仿真方法

        該方法通常是運(yùn)用有限元仿真軟件(如ANSYS、ABAQUS等)對(duì)管道運(yùn)行工況的模擬,能夠快速給出復(fù)雜載荷條件下管道的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài),確定危險(xiǎn)位置及計(jì)算環(huán)焊縫等缺陷位置的斷裂參數(shù),包括K、J積分、裂尖張開位移(CTOD)等。然后結(jié)合材料的力學(xué)性能和現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范對(duì)缺陷的可接受性做出判定。目前尚沒有基于有限元仿真的管道缺陷評(píng)價(jià)規(guī)范,該方法更多用于管體缺陷評(píng)價(jià)研究,且與理論解析、試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合,使用者除要掌握分析軟件的使用外還要具備較深的理論知識(shí)儲(chǔ)備,屬于工程適用性評(píng)價(jià)中“高級(jí)評(píng)價(jià)”的范疇。

        1.6 基于應(yīng)變的評(píng)價(jià)方法

        當(dāng)管道在位移載荷作用下出現(xiàn)大范圍屈服時(shí),現(xiàn)行的基于應(yīng)力的斷裂評(píng)估方法存在一定的局限性,采用基于應(yīng)變的方法更為合理?;趹?yīng)變的評(píng)價(jià)需要解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題,分別為驅(qū)動(dòng)力的應(yīng)變表征和失效準(zhǔn)則的確定[18]。Wang 等[19]提出了確定含表面缺陷和埋藏缺陷管道拉伸應(yīng)變的定量計(jì)算方程,并被CSA Z662-2007[20]采用。由于未考慮內(nèi)外壓力、焊縫強(qiáng)度匹配和熱影響區(qū)軟化對(duì)管道應(yīng)變能力影響,其計(jì)算結(jié)果具有一定的保守性,尤其針對(duì)長度小于15%管道壁厚、深度小于20%管道壁厚的短小缺陷,該方程在CSA Z662-2015[12]中未被沿用。同時(shí),該標(biāo)準(zhǔn)還給出了屈曲失效模式下的壓縮應(yīng)變極限狀態(tài)方程。國內(nèi)在基于應(yīng)變的管道設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方面尚處于起步階段,工程中選擇焊縫超強(qiáng)度匹配以避免應(yīng)變過度集中于焊縫及熱影響區(qū),焊縫缺陷評(píng)估問題因此更加復(fù)雜[21]。

        2 適用性評(píng)價(jià)方法選擇

        2.1 環(huán)焊縫缺陷分類

        環(huán)焊縫焊接時(shí)產(chǎn)生的缺陷包括:裂紋、未熔合、未焊透、咬邊、氣孔、夾渣、未焊滿、過度打磨以及錯(cuò)邊等。根據(jù)BS 7910: 2015[3]、GB/T 19624—2004[13]等國內(nèi)外主要適用性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),大體將環(huán)焊縫缺陷分為體積型缺陷和裂紋型缺陷兩大類。其中體積型缺陷包括氣孔、夾渣、過度打磨以及未焊滿等;平面型缺陷包括裂紋、未熔合、未焊透等。另外,咬邊通常作為平面型缺陷評(píng)價(jià),而錯(cuò)邊作為一種結(jié)構(gòu)不連續(xù),按照產(chǎn)生附加應(yīng)力集中進(jìn)行考慮。

        2.2 體積型缺陷評(píng)價(jià)方法

        體積型缺陷主要為塑性失效模式,危害相對(duì)較低,可采用的適用性評(píng)價(jià)方法包括Kastner方法[4]、Miller方 法[5]、ASME NSC方 法[6]、修 正 的Miller方法[22]等。WANG 等[22]在國際管道研究協(xié)會(huì)(PRCI)環(huán)焊縫評(píng)價(jià)研究報(bào)告中介紹了基于極限塑性失效應(yīng)力的環(huán)焊縫缺陷評(píng)價(jià)的一些研究成果,并對(duì)比分析了經(jīng)典塑性破壞解和EPRG環(huán)焊縫評(píng)價(jià)指南、CSA Z662、API 1104等對(duì)于環(huán)焊縫缺陷塑性失效評(píng)價(jià)的適用性,指出:①Kastner方法、Miller方法、ASME NSC方法等適合作為工程應(yīng)用候選方法,然而CSA Z662等標(biāo)準(zhǔn)則過于保守,預(yù)測的塑性失效應(yīng)力僅為Miller方法的1/7,僅為Kastner方法的1/6;②對(duì)于深度小于50%管道壁厚、長度小于10%周長的環(huán)向缺陷,Miller方法、Kastner方法、ASME NSC方法等結(jié)果均能很好滿足環(huán)焊縫缺陷評(píng)價(jià)。Wang 等[22]在Miller方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正,并被納入API 1104第2級(jí)評(píng)價(jià)塑性失效計(jì)算中。因此,體積型缺陷評(píng)價(jià)推薦采用修正的Miller方法。

        2.3 平面型缺陷評(píng)價(jià)方法

        相對(duì)于體積型缺陷,平面型缺陷危害較大,評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮塑性失效和斷裂失效模式,目前國內(nèi)外普遍采用基于失效評(píng)估圖方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法已被多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)引用,但不同標(biāo)準(zhǔn)在失效評(píng)估曲線(FAC)、Lr和Kr的計(jì)算及殘余應(yīng)力選取等方面存在差異。其中,API 1104-2013[7]僅給出了通用FAC,且在殘余應(yīng)力等方面考慮不足。GB/T 19624—2004[13]在編制過程中主要參考了BS 7910: 1999[23],版本較舊,很多內(nèi)容尚未更新。SY/T 6477—2017[14]在編制過程中主要參考了API 579-1-2016[11],同樣僅給出了X80及以下管線鋼通用的FAC,且殘余應(yīng)力選取相對(duì)較為簡單。BS 7910: 2015[3]和API 579-1-2016[11]都給出了通用FAC與基于具體評(píng)價(jià)對(duì)象材料應(yīng)力應(yīng)變曲線建立精確度更高的特定FAC的方法。這兩種標(biāo)準(zhǔn)方法都比較適用于環(huán)焊縫平面型缺陷評(píng)價(jià),但相較于API 579-1-2016,BS 7910: 2015在殘余應(yīng)力選取、焊縫強(qiáng)度匹配等方面給出了更為詳細(xì)的規(guī)定。綜上所述,平面型缺陷評(píng)價(jià)推薦使用BS 7910: 2015,并根據(jù)可用材料參數(shù)及保守程度選用通用FAC或特定FAC進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        3 適用性評(píng)價(jià)瓶頸問題分析

        根據(jù)對(duì)環(huán)焊縫失效原因的統(tǒng)計(jì)分析,焊接缺陷、內(nèi)外部載荷、材料性能不達(dá)標(biāo)等是導(dǎo)致環(huán)焊縫開裂失效的主要因素,也是評(píng)價(jià)過程中制約評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素,具體表現(xiàn)如下。

        1)環(huán)焊縫缺陷特征數(shù)據(jù)主要來源于管道漏磁內(nèi)檢測、射線檢測、超聲檢測等。在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn),不同檢測手段報(bào)告的缺陷在類型、位置、尺寸量化方面存在較大偏差。如何認(rèn)識(shí)并根據(jù)各種檢測技術(shù)的原理和特點(diǎn),結(jié)合管道的實(shí)際焊接工藝來有效處理這種偏差是評(píng)價(jià)過程需要解決的問題。

        2)從施工期到運(yùn)營期,作用于管道環(huán)焊縫上的載荷是多種多樣的,主要包括施工過程中強(qiáng)力組對(duì)引起的裝配應(yīng)力、錯(cuò)邊/斜接引起的彎曲應(yīng)力、焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、運(yùn)行過程中內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力、外部土體移動(dòng)導(dǎo)致的附加軸向應(yīng)力、溫差引起的軸向應(yīng)力等。部分載荷參數(shù)實(shí)測較為困難或與實(shí)際情況存在較大偏差,如通過假設(shè)又缺少明確的原則,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不一。因此,載荷參數(shù)識(shí)別與獲取對(duì)于環(huán)焊縫缺陷評(píng)價(jià)也至關(guān)重要。

        3)材料性能不達(dá)標(biāo)主要表現(xiàn)為韌性值偏低,主要是由于焊工在環(huán)焊縫焊接過程中未嚴(yán)格按照焊接工藝操作等原因所導(dǎo)致;材料參數(shù)的選取應(yīng)以實(shí)測為主,但由于不同焊口、不同位置的材料性能具有較大的分散性,因此材料參數(shù)取值的代表性也是評(píng)價(jià)過程中首先需要明確的問題。另外,近年來,高強(qiáng)鋼環(huán)焊縫弱匹配與熱影響區(qū)軟化等問題已逐漸突顯,應(yīng)在環(huán)焊縫評(píng)價(jià)中予以重點(diǎn)關(guān)注。

        4 未來展望

        目前,環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)技術(shù)在傳統(tǒng)低、中等級(jí)鋼管道的實(shí)際應(yīng)用中已取得階段成果,但隨著近年來高鋼級(jí)、大口徑、高壓力管道的投產(chǎn)運(yùn)行,管道環(huán)焊縫又暴露出新的問題,需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作,分述如下。

        1)高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫裂紋成因及機(jī)理研究。部分高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫檢測與現(xiàn)場開挖驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)多處超標(biāo)環(huán)焊縫裂紋,明確其成因及產(chǎn)生機(jī)理對(duì)后續(xù)環(huán)焊縫檢測、評(píng)價(jià)與新建管道的裂紋防控具有重要意義。

        2)強(qiáng)度匹配形式對(duì)環(huán)焊縫失效行為影響研究。由于現(xiàn)行管線鋼標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度許可范圍較寬,當(dāng)鋼管強(qiáng)度偏向標(biāo)準(zhǔn)上限時(shí),環(huán)焊縫便成為弱匹配。部分管道力學(xué)性能測試也證實(shí)了焊縫強(qiáng)度存在弱匹配情況,不同焊縫強(qiáng)度匹配形式對(duì)于焊縫韌性、抗開裂性能、焊縫殘余應(yīng)力等的影響還有待進(jìn)一步明確。

        3)根部缺口性應(yīng)力集中效應(yīng)及復(fù)雜載荷下評(píng)價(jià)方法適用性研究。歷史失效事故統(tǒng)計(jì)顯示焊縫多起裂于根部,尤其是存在變壁厚、錯(cuò)邊或成型不良的環(huán)焊縫。對(duì)于高鋼級(jí)管道,當(dāng)焊縫韌性儲(chǔ)備不足的情況下,這種根部缺口性應(yīng)力集中是極其危險(xiǎn)的。孟波等[23]研究表明,當(dāng)缺口張開角小于60°時(shí),不同缺口應(yīng)力強(qiáng)度因子隨角度減小變化不明顯,即幾乎等同于裂紋。現(xiàn)行的適用性評(píng)價(jià)方法一般通過放大膜應(yīng)力或疊加附加彎曲應(yīng)力來考慮焊趾或根部結(jié)構(gòu)性不連續(xù)產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng),可能嚴(yán)重低估了其對(duì)環(huán)焊縫承載能力的影響。

        4)高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫應(yīng)變能力及基于應(yīng)變的適用性評(píng)價(jià)方法研究。當(dāng)管道承受較大位移載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑性變形,尤其是弱匹配形式下的環(huán)焊縫將先于臨近管體達(dá)到屈服并出現(xiàn)應(yīng)變強(qiáng)化,基于應(yīng)力的評(píng)價(jià)方法已不足以評(píng)估其應(yīng)變能力。如何準(zhǔn)確評(píng)估高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的應(yīng)變能力,已成為管道斷裂控制中面臨的新難題,需要解決基于應(yīng)變的裂紋驅(qū)動(dòng)力問題,而不是傳統(tǒng)的基于應(yīng)力的斷裂力學(xué)分析。

        5 結(jié)論

        1)系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)行的環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)方法,并歸納為6種類型,剖析了各類方法的原理、特點(diǎn)及適用性。

        2)將環(huán)焊縫缺陷分為體積型缺陷和平面型缺陷兩大類,對(duì)于體積型缺陷,主要考慮塑性失效模式,推薦采用修正的Miller方法;對(duì)平面型缺陷,應(yīng)同時(shí)考慮塑性失效和斷裂失效模式,推薦采用BS 7910:2015標(biāo)準(zhǔn)中基于失效評(píng)估圖(FAD)的方法,并根據(jù)可用材料參數(shù)及保守性選用通用FAC或特定FAC。

        3)從焊接缺陷、內(nèi)外部載荷及材料性能等3個(gè)方面分析了目前環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)過程中遇到的瓶頸問題,主要表現(xiàn)為不同檢測方法針對(duì)缺陷表征存在偏差、載荷參數(shù)識(shí)別與量化準(zhǔn)確性、材料參數(shù)取值代表性等。

        4)針對(duì)高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫所暴露出的新問題,提出了環(huán)焊縫缺陷適用性評(píng)價(jià)的未來展望。

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