張 陽(yáng)，陳嘉其，王嘉偉，彭友文

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530012；4.江西省市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

水電站壓力鋼管在高壓水挾帶的砂石沖刷及外界物質(zhì)腐蝕作用下，管壁常發(fā)生局部減薄現(xiàn)象[1]，出現(xiàn)承載力降低、疲勞裂紋萌生、局部膨脹等問題。因此，預(yù)測(cè)局部減薄水電站壓力管道的失效模式對(duì)其安全運(yùn)行非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)局部減薄管道失效模式開展了一些研究[2～5]。陳鋼等[6]討論了內(nèi)壓和面內(nèi)彎矩共同作用下局部減薄彎頭的典型塑性失效模式，指出局部減薄參數(shù)是影響失效模式的關(guān)鍵因素；Choi等[7]通過爆破試驗(yàn)研究了不同減薄參數(shù)對(duì)X65鋼管失效機(jī)理和失效壓力的影響，并結(jié)合數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了失效危險(xiǎn)區(qū)域；Lee等[8]針對(duì)含有點(diǎn)蝕和槽形減薄兩種缺陷形式的壓力管道展開了彈塑性有限元分析，發(fā)現(xiàn)局部減薄幾何形狀對(duì)管道失效模式有較大的影響；Roy等[9]針對(duì)彎曲荷載和軸向荷載聯(lián)合作用下的局部減薄壓力管道開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，總結(jié)了局部減薄深度、局部減薄環(huán)向長(zhǎng)度以及減薄位置對(duì)管道失效模式的影響規(guī)律。上述研究表明局部減薄管道的失效模式受多種因素影響，然而目前研究仍未給出失效模式的判定方法。

鑒于此，本文針對(duì)采用中高強(qiáng)度鋼材的局部減薄水電站光面管開展了失效模式研究，選取局部減薄光面管與相應(yīng)無缺陷管道失效時(shí)塑性區(qū)體積比為失效模式量化指標(biāo)，提出了該類管道失效模式的兩級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)，從而建立了采用中高強(qiáng)度鋼材的局部減薄水電站光面管的失效模式判定方法。

1 局部減薄光面管失效機(jī)理分析方法與驗(yàn)證

1.1 失效機(jī)理判定方法

采用彈塑性增量法（Elastic-plastic Incremental Analysis，簡(jiǎn)記EPIA）開展局部減薄水電站光面管的失效機(jī)理研究，從而確定該管道失效模式的判定關(guān)系式。文中選取局部減薄管道失效時(shí)塑性區(qū)體積與相應(yīng)無缺陷管道失效時(shí)塑性區(qū)體積比為失效模式量化指標(biāo)，采用式（1）、（2）判定局部減薄水電站光面管失效模式類型：

式中，VL為局部減薄管道失效時(shí)塑性區(qū)體積，m3；V為無缺陷管道失效時(shí)塑性區(qū)體積，m3。

1.2 分析方法驗(yàn)證

1.2.1 Benjamin爆破試驗(yàn)

選取Benjamin[10]試驗(yàn)的IDTS2試件，管材采用API X80鋼，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為534.1MPa和713.8MPa，彈性模量為 2.0×105MPa，泊松比為 0.3。采用EPIA法得到極限承載力結(jié)果見表1，管道失效時(shí)的破壞模式和應(yīng)力分布如圖1。

表1 Benjamin試驗(yàn)IDTS2試件[10]的極限承載力結(jié)果

由表1可知，本文極限承載力計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，誤差為3.18%。同時(shí)由圖1可知，各計(jì)算方法的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在平行于管道軸線的近無減薄區(qū)域，與試驗(yàn)的破壞區(qū)域和破壞模式基本一致。研究表明，失效區(qū)域限于減薄區(qū)的部分小范圍內(nèi)，管道VL/V為12.1%小于20%，屬于局部破壞，危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在平行于軸線的近無減薄區(qū)域附近。

圖1 IDTS2試件失效的應(yīng)力分布和失效模式

1.2.2 Choi爆破試驗(yàn)

選取Choi[7]試驗(yàn)的LA試件，管材采用APIX 65鋼，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為465MPa和565MPa，彈性模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3。采用EPIA法得到極限承載力結(jié)果見表2，管道失效時(shí)的應(yīng)力分布和破壞模式如圖2所示。

由表2可知，本文極限承載力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好，誤差為0.82%。同時(shí)由圖2可知，各計(jì)算方法的最大應(yīng)力出現(xiàn)在減薄中心的部分區(qū)域，與實(shí)驗(yàn)的破壞區(qū)域和破壞模式基本一致。研究表明，失效區(qū)域沿減薄環(huán)向和軸向不斷發(fā)展從而導(dǎo)致管道失效爆裂，管道VL/V為91.2%大于60%，屬于整體破壞，危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在減薄區(qū)域中心。

表2 Choi試驗(yàn)LA試件[7]的極限承載力計(jì)算結(jié)果

圖2 LA試件失效時(shí)的應(yīng)力分布和失效模式

2 計(jì)算模型與參數(shù)

圖3為兩端埋設(shè)在鎮(zhèn)墩中的采用中高強(qiáng)度鋼材的局部減薄水電站光面管示意圖，其管跨為L(zhǎng)，減薄軸向長(zhǎng)度為2A、減薄環(huán)向長(zhǎng)度為2B（對(duì)應(yīng)2θ）和減薄深度為C。管材采用Q345D鋼材，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[12]如圖4所示，管道尺寸和材料參數(shù)如表3所示。采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，采用20節(jié)點(diǎn)的SOLID95單元模擬管壁，同時(shí)采用槽形凹坑模擬局部減薄區(qū)域，圖5為根據(jù)對(duì)稱性取1/4管段建立的有限元計(jì)算模型，對(duì)無缺陷區(qū)域管壁沿厚度方向劃分4層單元、存在局部減薄的區(qū)域劃分2層單元，并在減薄部位沿管軸向和環(huán)向精細(xì)劃分單元。

圖3 局部減薄壓力鋼管計(jì)算模型

表3 管道尺寸和材料參數(shù)

圖4 Q345D的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖5 局部減薄壓力鋼管有限元網(wǎng)格

為方便下文開展研究，將管道部分體型參數(shù)和局部減薄參數(shù)進(jìn)行無量綱化：

式中，l為無量綱化的管道跨度；a、b和c分別為無量綱化的局部減薄軸向半長(zhǎng)、環(huán)向半長(zhǎng)和深度。

3 局部減薄水電站光面管失效模式判定

3.1 局部減薄幾何參數(shù)對(duì)失效模式的影響

為揭示單個(gè)局部減薄參數(shù)對(duì)局部減薄光面鋼失效模式的影響規(guī)律，取以下無量綱化局部減薄幾何參數(shù)計(jì)算方案：a=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，b=0.2，c=0.5；a=5，b=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，c=0.5；a=5，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，結(jié)果如圖6所示，其中點(diǎn)劃線為整體失效量化指標(biāo)下限，虛線為局部失效量化指標(biāo)上限。

圖6 單個(gè)局部減薄參數(shù)對(duì)失效模式的影響規(guī)律

由圖6（a）可知，無量綱化局部減薄軸向?qū)挾萢的變化對(duì)失效時(shí)有一定影響，隨著a的增加逐漸降低，當(dāng)a增大到10時(shí)為73.1%，仍高于整體失效量化指標(biāo)下限，則管道總體上為整體失效模式。由圖6（b）可知，無量綱化局部減薄環(huán)向?qū)挾萣的變化對(duì)失效時(shí)的影響較小影響可忽略，均約為95.2%，高于整體失效量化指標(biāo)下限，為整體失效模式。由圖6（c）可知，無量綱化局部減薄深度c≤0.5時(shí)，c對(duì)失效時(shí)VL/V的影響基本可忽略，VL/V高于整體失效量化指標(biāo)下限，均為整體失效模式；c>0.5時(shí)，VL/V將迅速下降，且低于局部失效量化指標(biāo)上限，則失效模式由整體失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫植渴Ｊ健?/p>

3.2 管道跨度l對(duì)失效模式的影響

考慮到管道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范[13]對(duì)跨度與彎曲應(yīng)力的要求，無量綱化管道跨度l應(yīng)不大于4.0，故無量綱化管道跨度l分別取1、2、3和4，同時(shí)考慮到減薄環(huán)向長(zhǎng)度b對(duì)失效模式的影響不大，故計(jì)算中b僅取0.2，局部減薄軸向長(zhǎng)度a分別取0.6、2.0、5.0和7.0，局部減薄深度c分別取0.3、0.5和0.7，結(jié)果如圖7所示。

圖7 管道跨度l對(duì)失效模式的影響規(guī)律

由圖7可知，隨著無量綱化管道跨度l的增大，VL/V呈降低趨勢(shì)，尤其圖7（c）所示c達(dá)0.7時(shí)，有一定的降幅?？傮w而言，l變化未改變管道的失效模式，其原因是在有限管長(zhǎng)下跨中水重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于由內(nèi)壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力對(duì)局部減薄管道應(yīng)力分布和失效模式的影響，所以可不考慮光面管跨度對(duì)局部減薄管道失效模式的影響。

3.3 局部減薄幾何參數(shù)聯(lián)合作用對(duì)失效模式的影響

根據(jù)前述影響規(guī)律研究，光面管的失效模式僅考慮a、c的聯(lián)合作用。取以下計(jì)算方案：a=0.6、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9，結(jié)果如圖8和表4所示。

結(jié)合圖8和表4可知，局部減薄參數(shù)聯(lián)合作用下的失效模式規(guī)律為：當(dāng)c≤0.5時(shí)，管道失效模式僅由局部減薄厚度控制，否則管道失效模式由局部減薄厚度和局部減薄軸向長(zhǎng)度共同控制。以上研究表明，為了保障在役管道結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全，需要及時(shí)檢查管道減薄c值和a值是否超標(biāo)，以預(yù)防發(fā)生局部失效問題。

表4 局部減薄參數(shù)與失效模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8 局部減薄參數(shù)聯(lián)合作用下壓力鋼管的失效模式

表5 局部減薄水電站光面管的失效預(yù)測(cè)

4 局部減薄水電站光面管的失效預(yù)測(cè)

為驗(yàn)證本文對(duì)減薄管失效模式判定的可靠性，將本文預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由表5可知，本文方法能較好地預(yù)測(cè)局部減薄壓力管道的失效模式，可為局部減薄壓力管道安全評(píng)估提供參考。

5 結(jié)論

本文開展了采用中高強(qiáng)度鋼材的局部減薄水電站光面管失效模式判定研究，研究表明：

（1）局部減薄環(huán)向長(zhǎng)度和管道跨度對(duì)局部減薄水電站光面管失效模式的影響很小，可以忽略。

（2）局部減薄軸向長(zhǎng)度和局部減薄深度是影響局部減薄水電站光面管失效模式的2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，文中給出了失效模式與2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）為了保障在役管道的安全運(yùn)行，需要及時(shí)檢查管道減薄軸向長(zhǎng)度和深度是否超標(biāo)。