國產高強管線鋼失效判定曲線研究

史君林，趙建平，蔣偉杰

（南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京211816）

國產高強管線鋼失效判定曲線研究

史君林，趙建平，蔣偉杰

（南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京211816）

為了研究國產高強度管線鋼的失效行為，分別對X80、X80HD和X90三種國產高強度管線鋼取四種典型試樣，即緊湊拉伸試樣（CT），中心裂紋板試樣(CCP），雙邊裂紋板試樣(DECP）和單邊裂紋板試樣(SECP），通過有限元計算，繪制了不同裂紋尺寸下的平面應力狀態(tài)和平面應變狀態(tài)下的失效評定曲線（Failure Assessment Curve，簡稱FAC）。研究結果表明，大多數情況下，R6第四版通用曲線比較保守，但是對DECP試樣顯得不保守，為此提出了針對高強管線鋼的修正評定曲線。

管線鋼；失效評定曲線；缺陷評定

隨著石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，管線鋼呈現高強度化、低溫韌性、高變形性及耐酸性的特點[1]，我國在高強度管線鋼管開發(fā)領域已經取得了顯著進展[2]，X80管線鋼管在西氣東輸二線得到了廣泛的應用。在油氣輸送管線鋼管的生產和使用過程中，缺陷是不可避免的，因此缺陷評定對于管道的安全運行具有重要意義。失效評定圖作為有效的缺陷評定方法，被廣泛運用于含缺陷結構的安全評定。

雖然國內外對于含缺陷承壓結構的安全問題已經形成了 R6[3]、 BS7910[4]和 API 579[5]， GB/T 19624—2004[6]等含缺陷結構安全評定標準，但結合我國的實際情況，仍需要對失效評定曲線（Failure Assessment Curve，簡稱 FAC）進行研究。王志文等[7]對我國壓力容器用鋼的失效評定曲線進行了多方面系統(tǒng)研究；李亞寧等[8]對16MnR，20R和Q235B壓力容器用鋼的失效評定曲線進行了研究。而對于管線鋼，王珂等[9]建立了X52焊縫失效評定曲線；張華等[10]使用聲發(fā)射方法，測定了X80管線鋼的斷裂韌性，建立其失效評估曲線及擬合曲線；王海濤等[11]研究了X80管線鋼的屈強比對失效評估曲線的影響；楊東平等[12]，王珂等[13-14]，李新華等[14]也對X80管線鋼失效評估曲線進行了研究。然而目前針對X80及以上級別鋼材失效評定曲線的研究相對較少，尤其是高強管線鋼具有較高的屈強比等一些特殊性質，因此對X80、X80HD和X90三種管線鋼的失效評定圖進行了研究。

1 失效評定的原理與方法

1.1 R6通用失效評定曲線

英國中央電力局（CEGB）在2001年推出了最新的R6第四次修訂版。R6提出了建立FAC的三種選擇方法。

（1）選擇1

截止線 Lrmax=σf/σy， 其中 σf=0.5（σy+σu）， R6的這一通用FAC是以J積分理論為基礎的。它具有以下重要特點：該曲線與裂紋體結構、裂紋尺寸無關，而且與各種材料性能的差異無關；要求材料性能基本符合Ramberg-Osgood（簡稱R-O）關系，卻又不直接依賴R-O中的α和n參數。它是一條保守的通用失效評定曲線，適用于應力-應變曲線上無明顯屈服平臺的所有材料。

（2） 選擇2

其中εref是材料真應力應變關系曲線上σref對應的應變，E為楊氏模量。

（3） 選擇3

J和Je分別為相同載荷下J積分的彈塑性總值以及彈性分量。在三種失效評定曲線中選擇3精度最高，其精度依賴于J積分值求取的有效性。

由失效評定曲線（FAC）、橫坐標Lr、縱坐標Kr以及截斷點Lrmax共同圍成的圖形稱為失效評定圖，失效評定圖方法以兩個參數Lr和Kr作為判據，根據評定點（Lr，Kr）是否落在圖形內部來判斷缺陷是否安全。

1.2 材料性能參數

試驗所用材料為國產X80，X80HD和X90三種管材，按照GB/T 228—2010[15]方法，完成對三種材料的拉伸性能試驗測試。經過處理的真應力-應變關系如圖1所示。由圖1可以看出，材料沒有明顯的屈服平臺，其本構關系基本完全符合Ramberg-Osgood關系 （簡稱R-O關系材料），按照R-O關系塑性整體擬合得到表1的參數。

圖1 材料的單軸拉伸真實應力－應變曲線

從圖1中可看出，材料的屈服極限有了明顯提高，但抗拉強度提高不是很明顯，曲線比較平緩，用屈強比來描述管線鋼管這一指標。屈強比是屈服強度和抗拉強度的比值（屈強比R=σy/σu），表征材料從屈服到斷裂這一過程中所能承受過載的裕度，這三種管線鋼的屈強比最大接近了0.9。而通常普通一些材料的屈強比為0.65～0.75[16]，這對失效評定曲線的直接的影響就是截至線Lrmax減小，因為截至線就可轉化為，則隨著屈強比增加，失效評估圖的安全區(qū)域減小。

表1 材料的特性參數

1.3 有限元計算

美國電力研究院（EPRI）的彈塑性斷裂分析工程方法中包括緊湊拉伸試樣（compact tension，CT）受均勻拉伸的中心開裂平板（center crack panel， CCP）、 單邊開裂平板（single edge crack panel， SECP）和雙邊開裂平板（double edge crack panel，DECP）等[17]。這里選用了這四種典型試樣（CT、CCP、SECP和DECP），使用有限元方法計算J積分，并繪制出典型試樣的失效評定曲線。

有限元計算采用ABAQUS軟件，使用真實的應力應變的關系，建立平面模型，在裂紋尖端附近細化網格，計算過程中設定了10條積分圍線，輸出結果除第一條圍線外其余圍線結果基本一致，表明了路徑無關。最后舍去誤差較大的第一條圍線，其他結果取平均值，得到J積分的值。

2 結果與討論

本研究分別對三種材料計算了四種典型試樣：緊湊拉伸試樣（CT），中心裂紋板試樣（CCP），雙邊裂紋板試樣（DECP）以及單邊裂紋板試樣（SECP），在不同裂紋尺寸（a/w分別為 0.2，0.4，0.6和0.8）下的J積分和極限載荷等，根據R6的選擇3方法，繪制出四種典型試樣失效評定曲線。

2.1 單邊裂紋板（SECP）試樣的失效評定曲線

SECP試樣平面應變和應力狀態(tài)下的失效評定曲線如圖2和圖3所示。對于單邊裂紋板試樣，選擇1曲線與選擇3曲線偏差較大，在Lr為0.7以后就發(fā)生了嚴重的分離，顯得尤為保守。而選擇2曲線和材料性質有很大關系，通常情況下，和選擇3曲線差距不大，但在平面應變狀態(tài)下，當X80HD的SECP的裂紋尺寸為a/w=0.2，偏離的很大，顯得不保守。

圖2 SECP試樣平面應變狀態(tài)下的失效評定曲線

圖3 SECP試樣平面應力狀態(tài)下的失效評定曲線

2.2 雙邊裂紋板（DECP）試樣的失效評定曲線

DECP試樣平面應變和應力狀態(tài)下的失效評定曲線如圖4和圖5所示。從圖中可以發(fā)現，在平面應變狀態(tài)下，當深裂紋試樣的韌性較低，裂紋尺寸a/w=0.8時，其基于選擇3曲線遠遠偏離選擇1和2曲線，對三種管材來說，材料的屈強比越大，偏移的越大，在Lr較大時，選擇2曲線也表現為不保守。而平面應力條件下的評定曲線結果，則表現為裂紋尺寸a/w=0.2時，其基于選擇3曲線也偏離選擇了1和2曲線。除了X80HD，其屈強比較低，韌性較好。選擇2曲線很大部分位于選擇3下面，顯得不保守。

圖4 DECP試樣平面應變狀態(tài)下的失效評定曲線

圖5 DECP試樣平面應力狀態(tài)下的失效評定曲線

2.3 中心裂紋板（CCP）的失效評定曲線

圖6 CCP試樣平面應變狀態(tài)下的失效評定曲線

圖7 CCP試樣平面應力狀態(tài)下的失效評定曲線

CCP試樣平面應力和應變狀態(tài)下的失效評定曲線如圖6和圖7所示。對于中心裂紋板試樣，可以看出選擇1曲線還是顯得比較保守，其在Lr在0.8左右與選擇3曲線偏離較大，而選擇2曲線在Lr較小時有著明顯的保守性，而但Lr較大的時候時，沒有太大的保守性，選擇3曲線隨著缺陷尺寸a/w的值的增加，呈上升趨勢。

2.4 緊湊拉伸試樣（CT）試樣的失效評定曲線

CT試樣平面應變和應力狀態(tài)下的失效評定曲線如圖8和圖9所示。從圖中可以發(fā)現，當a/w為0.2時，由于CT試樣結構的高約束度，后期難以收斂，故曲線較短。在平面應變條件下X80，X80HD和X90三種材料的CT試樣下的失效評定曲線偏高?？梢哉J為選擇1曲線和2曲線均保守的。隨著裂紋尺寸的增大，選擇3的FAC曲線先向上抬升（a/w＜0.6），之后又向下偏移（a/w=0.8）。在平面應力的條件下，裂紋尺寸a/w=0.2時，選擇3曲線在選擇1和選擇2曲線之間。除此選擇2曲線比較接近選擇3曲線，選擇3曲線隨著裂紋尺寸的增大，選擇3曲線逐漸向上抬升，且離散型程度較低。

圖9 CT試樣平面應力狀態(tài)下的失效評定曲線

2.5 討 論

從建立的FAC可以看出，失效評定曲線對材料的性質，結構的幾何形狀，缺陷的尺寸有很大關系，隨著鋼管屈強比升高，其失效評估曲線的截至線降低，鋼管的塑性壓潰極限載荷降低，其在高載荷狀態(tài)下的安全應用范圍減小。

對于大部分情況下，對于高強管線鋼，選用R6曲線通用曲線進行評價，顯得比較保守，但是對于DECP試樣R6曲線顯得不保守，為了使曲線更加偏于安全，本研究對這三種材料的四個不同尺寸的試樣的基于平面應力以及平面應變的失效評定曲線進行匯總，如圖10所示。

圖10 失效評定曲線

把建立FAC曲線取下包絡線，使用R6選擇1函數的形式進行擬合修正，本研究中的X80HD屈強比最低為0.732，這里屈強比取0.72，截止線Lrmax=1.2，曲線表示在圖10中，通過調整系數得到，其修正后的方程如下：

3 結 論

（1）失效評定曲線與材料的性質，結構的幾何形狀，缺陷的尺寸等有很大關系。隨著鋼管屈強比升高，其失效評估曲線的截至線降低，鋼管的塑性壓潰極限載荷降低，其在高載荷狀態(tài)下的安全應用范圍減小。

（2）對比不同材料，不同典型試樣，不同尺寸的失效評定曲線可以發(fā)現，大部分情況下使用R6通用失效評定曲線對高強管線鋼進行安全評定還是比較保守，在試驗數據不完善或者計算條件不允許的情況下，可以考慮采用的通用曲線作為安全評定依據。

（3）雖然大多情況下選用R6曲線通用曲線比較保守，但實際結構中存在許多淺長型表面裂紋，本研究將平面應變的DECP（a/w=0.8）考慮在內應該是合理的，擬合出新的FAC更加偏于保守，將更適合于高強管線鋼的安全評定。

[1]孫宏，王慶強.國際高強度管線鋼管的研究進展[J].壓力容器，2012（01）：36-42.

[2]王曉香，李延豐.高強度管線鋼管開發(fā)在中國的新進展[J].鋼管，2011（01）：19-25.

[3]AINSWORTH R A.R6-Revision 4:2001，Assessment of the integrity of structure containing defect[C]//London：British Energy Generation Ltd，Amendment，2001：12-15.

[4]Standard B 7910：2005，Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].

[5]API 579-1/ASME FFS-1—2007，Fitness for Service[S].

[6]GB/T 19624—2004，在用含缺陷壓力容器安全評定[S].

[7]王志文，李培寧，雷月葆，等.我國壓力容器通用失效評定曲線的初步研究[J].化工機械，1995（2）：115-120.

[8]李亞寧，董保勝，趙新偉，等.含裂紋型缺陷壓力容器用鋼失效評定曲線研究[J].有色金屬，2007（1）：10-13.

[9]王珂，趙新偉，羅金恒，等.X52焊縫失效評定曲線[J].管道技術與設備，2011（3）：37-39.

[10]張華，趙新偉，羅金恒，等.X80管線鋼斷裂韌性及失效評估圖研究[J].壓力容器，2009（12）：1-4.

[11]王海濤，李鶴，李洋，等.X80管線鋼管的屈強比對其失效評估曲線的影響[J].管道技術與設備，2012（5）：6-9.

[12]楊東平，胥聰敏，盛燕，等.0.8設計系數用X80管線鋼焊接接頭的失效評估曲線[J].機械工程材料，2014（9）：47-50.

[13]王珂，羅金恒，楊鋒平.0.8設計系數用X80管線鋼失效評估曲線研究[J].焊管，2015（3）：20-23.

[14]李新華，羅金恒，趙新偉，等.高鋼級管線鋼失效評估曲線研究[J].焊管，2007（4）：33-35.

[15]GB/T 228—2010，金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法[S].

[16]ERNST H A.Effect of the yield to tensile ratio on structural integrity of line pipes subjected to bending loads[J].Journalof Offshore Mechanics&Arctic Engineering，2011,133（3）：783-789.

[17]庫默.彈塑性斷裂分析工程方法[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985.

Investigation of Failure Assessment Curve for High Strength Pipeline Steel Produced in China

SHI Junlin，ZHAO Jianping，JIANG Weijie

（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing TECH University，Nanjing 211816,China）

In order to study the failure behaviors of high strength pipeline steel produced in China,the failure assessment curve（FAC） for high strength pipeline steel produced in China（X80,X80HD and X90） with different crack sizes of four typical specimens（CT,CCP,DECP,and SECP）were respectively drawn,under plane stress state and plane strain state,by using finite element method.The results showed that the R6 revision 4 general curve is conservative in most cases,but the FAC for DECP is no longer conservative.Meanwhile the modified FAC for high strength pipeline steel was given in this paper.

pipeline steel;failure assessment curve（FAC）;defect assessment

TE88

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.003

史君林（1992—），男，四川巴中人，現為南京工業(yè)大學機械與動力工程學院碩士研究生。

2019-03-29

謝淑霞

《中國焊管50年》征訂啟事

由中國金屬學會軋鋼學會第五屆焊管學術委員會組織編撰,《焊管》期刊社負責資料收集、整理、編輯,中國工程院李鶴林院士擔任主編，焊管制管企業(yè)和相關科研院所50余位學者、專家共同參與編寫的大型歷史文獻《中國焊管50年》，發(fā)行以來，受到廣大讀者的廣泛好評。

《中國焊管50年》充分展現了50年來中國焊管工業(yè)的發(fā)展歷程及所取得的輝煌成就；真實記載了我國焊管產品、工藝、設備、材料、相關標準、質量檢測及控制技術的設計、制造、應用的發(fā)展過程；客觀反映了我國焊管行業(yè)的現狀；科學分析了未來我國及國際焊管工業(yè)的發(fā)展趨勢。它既是一部我國焊管工業(yè)的發(fā)展史，同是又是一部焊管行業(yè)生產技術的現行教科書。

《中國焊管50年》全書約100萬字，定價200元（含郵資），可直接與《焊管》期刊社聯系訂購。

聯系人：謝淑霞聯系電話：0917－3398448