基于应变的管道强度设计方法的适用性研究

《油罐及管道强度设计》课程综合复习资料一、单选题1．“管道和储罐的失效判据具有通用性，也就是说任一判据都可以适用于任意场合。

”这种说法（）。

A．正确B．错误答案：B2．“管道和储罐设计应遵循“先爆后漏”原则而不是“未爆先漏”原则。

”这种说法（）。

A．正确B．错误答案：B3．“基于应变的设计方法是一种先进的设计方法，适用于一切管道任意工况的设计。

”这种说法（）。

A．正确B．错误答案：A4．“高风险地区的管道设计时应具有更高的可靠度，实际设计时采用更大的安全系数。

”这种说法（）。

A．正确B．错误答案：B5．“无力矩理论微元平衡方程中的曲率半径一定是正值。

”这种说法（）。

A．正确B．错误答案：B6．下列说法中（）是正确的。

A．浮船的稳定性校核仅包括浮船的侧向稳定性校核和截面稳定性校核两部分B．根据“浮顶处于漂浮状态时，下表面应与储液全面接触”设计单盘板安装高度时，只要单盘板安装位置不超过其上限位置C max即可C．在计算浮顶积水时的抗沉性时，只要满足浮船的下沉深度不超过外边缘板高度，且留有一定裕量即可答案：C7．进行下节点强度校核时，下节点处的计算应力不宜超过（）。

A．2σsB．σsC．0.9σsD．[σ]答案：C8．圆柱形储罐罐壁下节点处的环向应力为（）。

A．接近于零B．C．约等于该处的弯曲应力D．约等于该处的剪切应力答案：A9．Π型补偿器可采用（）的办法来提高其补偿能力。

A．预先拉伸或预先压缩B．预先弯曲答案：A10．下列（）补偿器补偿能力最大。

A．L形补偿器B．Π型补偿器C．波纹管式补偿器D．球形补偿器答案：B11．下列（）补偿器可用于大压力的油气管道。

A．L形补偿器B．Π型补偿器C．波纹管式补偿器D．球形补偿器答案：B12．储罐和管道的连接一般使用（）补偿器。

A ．L 形补偿器 B ．Π型补偿器 C ．波纹管式补偿器 D ．球形补偿器 答案：C13．当[]cr P P >时，将式cr[]PP 按（）方法取整之后得到的的数值即为需要设置的中间抗风圈的数量。

◀石油管工程▶基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价∗杨辉㊀王富祥㊀钟婷㊀玄文博㊀雷铮强(国家管网集团北方管道公司管道科技研究中心)杨辉ꎬ王富祥ꎬ钟婷ꎬ等.基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价.石油机械ꎬ２０２２ꎬ５０(５):１５０－１５６.摘要:现行管道设计标准大多遵循传统的基于应力的设计准则ꎬ当管材出现屈服和应变强化时ꎬ基于应力的设计准则便不再适用ꎮ为了有效开展基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价ꎬ需要解决驱动力的应变表征和失效准则确定两个关键问题ꎮ通过对含环焊缝根部裂纹的高钢级管道进行有限元分析ꎬ得到基于应变的裂纹扩展驱动力ꎬ研究了缺陷尺寸㊁强度匹配及压力等因素对环焊缝应变能力的影响ꎻ对比分析了两种管道环焊缝断裂失效准则并明确其适用性ꎮ分析结果表明:缺陷尺寸不仅影响裂纹扩展阻力ꎬ而且影响裂纹扩展的驱动力ꎬ裂纹深度较长度对基于应变裂纹驱动力的影响更为明显ꎻ高匹配焊接的环焊缝具备更强的应变能力ꎬ承载能力也相应增强ꎻ错边和变壁厚等根部不连续会削弱环焊缝的承载能力ꎻ基于裂纹失稳扩展失效准则评价的是极限应变能力ꎬ对环焊缝的断裂韧度要求很高ꎬ建议选择基于断裂韧度准则的评价方法ꎮ所得结论可为高钢级管道环焊缝应变能力评估提供技术参考ꎮ关键词:高钢级管道ꎻ环焊缝ꎻ应变ꎻ裂纹扩展驱动力ꎻ失效准则ꎻ断裂韧度中图分类号:ＴＥ８３２㊀文献标识码:Ａ㊀ＤＯＩ:１０ １６０８２/ｊ ｃｎｋｉ ｉｓｓｎ １００１－４５７８ ２０２２ ０５ ０２０Ｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄＡｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＧｉｒｔｈＷｅｌｄｓｏｎＨｉｇｈ￣ｇｒａｄｅＳｔｅｅｌＰｉｐｅｌｉｎｅＹａｎｇＨｕｉ㊀ＷａｎｇＦｕｘｉａｎｇ㊀ＺｈｏｎｇＴｉｎｇ㊀ＸｕａｎＷｅｎｂｏ㊀ＬｅｉＺｈｅｎｇｑｉａｎｇ(ＰｉｐｅｌｉｎｅＲ＆ＤＣｅｎｔｅｒꎬＰｉｐｅＣｈｉｎａＮｏｒｔｈＰｉｐｅｌｉｎｅＣｏｍｐａｎｙ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｃｕｒｒｅｎｔｐｉｐｅｌｉｎｅｄｅｓｉｇｎｓｔａｎｄａｒｄｓｍｏｓｔｌｙｆｏｌｌｏｗｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔｒｅｓｓ￣ｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａ.Ｗｈｅｎｔｈｅｐｉｐｅｙｉｅｌｄａｎｄｓｔｒａｉｎａｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄꎬｔｈｅｓｔｒｅｓｓ￣ｂａｓｅｄｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａａｒｅｎｏｌｏｎｇｅｒａｐｐｌｉｃａｂｌｅ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆ￣ｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｏｎｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅꎬｔｗｏｋｅｙｉｓｓｕｅｓꎬｉ.ｅ.ｓｔｒａｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎬｎｅｅｄｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ.Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａ￣ｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｏｎｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｃｒａｃｋｓａｔｔｈｅｒｏｏｔｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎａｎｄｃｌａｒｉｆｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｕｃｈｆａｃｔｏｒｓａｓｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅꎬｓｔｒｅｎｇｔｈｍａｔｃｈｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｓｔｒａｉｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓ.Ｔｗｏｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｂｉｌ￣ｉｔｙｗａｓｃｌａｒｉｆｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅｎｏｔｏｎｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒｅｓｉｓｔａｎｃｅꎬｂｕｔａｌｓｏａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｒａｃｋｄｅｐｔｈｏｎｔｈｅｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｃｒａｃｋｉｓｍｏｒｅｏｂｖｉｏｕｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｃｒａｃｋｌｅｎｇｔｈ.Ｔｈｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｗｉｔｈｈｉｇｈｍａｔｃｈｉｎｇｗｅｌｄｉｎｇｈａｓｈｉｇｈｅｒｓｔｒａｉｎｃａｐａｃｉｔｙꎬａｎｄｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｉｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙｅｎｈａｎｃｅｄ.Ｒｏｏｔｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓｓｕｃｈａｓｓｔａｇｇｅｒｅｄｅｄｇｅｓａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｗｉｌｌｗｅａｋｅｎｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓ.Ｉｎｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｃｒａｃｋｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎꎬｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｕｂｊｅｃｔｉｓｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒａｉｎｃａｐａｃｉｔｙꎬｗｈｉｃｈｒｅｑｕｉｒｅｓｈｉｇｈｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄꎬｓｏｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｏｃｈｏｏｓｅｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｃｒｉｔｅｒｉｏｎ.０５１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械ＣＨＩＮＡＰＥＴＲＯＬＥＵＭＭＡＣＨＩＮＥＲＹ㊀㊀２０２２年㊀第５０卷㊀第５期∗基金项目:中石油管道有限责任公司科技攻关项目 在役高钢级管道环焊缝风险评估与安全评定技术研究 (２０１８Ｂ－３００２－０５０１)ꎮＴｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｓｔｒａｉｎｃａｐａｃｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｏｎｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅꎻｇｉｒｔｈｗｅｌｄꎻｓｔｒａｉｎꎻｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎꎻｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉ￣ｏｎꎻｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓ０㊀引㊀言西气东输一线管道的建设拉开了我国长输油气管道全面应用高钢级管道的序幕ꎬ目前我国已投产的在役Ｘ８０管道已超过１ ３万ｋｍꎮ国内管道大建设的同时也暴露了诸多问题ꎬ其中高钢级管道环焊缝的脆弱性尤其突出[１－８]ꎮ现行的管道设计标准大多遵循传统的基于应力的设计准则ꎬ但管材出现屈服和应变强化时ꎬ基于应力的设计准则便不再适用[９－１１]ꎮ预测在大变形条件下含缺陷管道的应变能力ꎬ或预测在一定应变要求下管道的缺陷容限水平ꎬ是大范围屈服条件下管道基于应变断裂评估的主要动因[１２－１３]ꎮ基于应变的评价需要解决两个关键问题ꎬ分别为驱动力的应变表征和失效准则的确定[１４]ꎮ杨辉等[１５]基于ＣＳＡＺ６６２ ２０１１标准推荐的拉应变极限公式ꎬ采用有限元法分析了不同因素下含裂纹管道的极限承载力ꎬ但并未给出裂纹驱动力的应变表征ꎮ韩克江等[１６]评估了管道大范围屈服断裂评估现状ꎬ从驱动力方程和裂纹尖端张开位移(ＣＴＯＤ)准则两方面介绍了基于应变的断裂评估方法ꎬ偏于理论研究ꎮ基于此ꎬ笔者通过对含环焊缝根部裂纹的高钢级管道进行有限元分析ꎬ得到基于应变的裂纹扩展驱动力ꎬ明确了缺陷尺寸㊁强度匹配及压力等因素对环焊缝应变能力的影响ꎻ对比分析了两种管道环焊缝断裂失效准则并明确了其适用性ꎬ以期为高钢级管道环焊缝应变能力评估提供技术参考ꎮ１㊀环焊缝根部裂纹有限元模型１ １㊀几何模型为方便建模和计算ꎬ对内表面裂纹进行以下简化:假设裂纹深度均匀ꎬ大小为ａꎬ裂纹环向长度为２ｃꎬ在裂纹两端采用半径ｒ＝ａ的圆弧过渡ꎬ这种 独木舟 形式的裂纹可以很好地模拟实际环形焊缝裂纹的形状ꎮ图１为管道环焊缝根部裂纹几何模型ꎮ１ ２㊀有限元建模运用ＡＢＡＱＵＳ软件建立了含环焊缝根部裂纹的Ｘ８０管道有限元模型ꎬ如图２所示ꎮ图２为⅟ 对称模型ꎮ直径Ｄ和壁厚ｔ分别为１２１９和１８ ４ｍｍꎬ考虑两种不同的裂纹深度ꎬ分别为ａ/ｔ＝０ １和０ ３ꎬ两种不同的裂纹长度均用弧度表示ꎬ长分别为π/３６和π/１８ꎮ裂纹尖端区域网格要求足够精细ꎬ同时采用过渡网格控制网格总量ꎬ保证精度的同时提高计算效率ꎮ除缺陷外ꎬ还考虑强度匹配㊁内压㊁错边及变壁厚等因素的影响ꎮ图１㊀管道环焊缝根部裂纹几何模型Ｆｉｇ １㊀Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｃｒａｃｋａｔｔｈｅｒｏｏｔｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄ图２㊀管道环焊缝根部裂纹有限元模型Ｆｉｇ ２㊀Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｗｉｔｈｃｒａｃｋａｔｔｈｅｒｏｏｔｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄ１ ３㊀材料本构对于母材和焊缝ꎬ采用Ｒａｍｂｅｒｇ￣Ｏｓｇｏｏｄ模型描述的应力应变曲线ꎮ该模型为业内广泛认可的材料非线性本构模型之一[１７－１８]ꎬ被众多标准引用ꎬ适用于管线钢ꎮ应力应变计算式为:ε＝σＥ＋ασＥσσＹæèçöø÷ｎ－１(１)α＝０ ００５ＥσＹ－１(２)ｎ＝３ １４１－σＹσＴ(３)式中:ε为应变ꎬ无量纲ꎻσ为应力ꎬＭＰａꎻＥ为弹性模量ꎬ取２１０ＧＰａꎻσＹ为屈服强度ꎬＭＰａꎻσＴ为抗拉强度ꎬＭＰａꎻｎ为硬化指数ꎬ无量纲ꎻα为１５１２０２２年㊀第５０卷㊀第５期杨辉ꎬ等:基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价㊀㊀㊀㊀㊀㊀屈服偏移量ꎬ无量纲ꎮ目前ꎬ国内外相关管道设计与评价标准对强度匹配的定义尚不统一ꎬ如ＢＳ７９１０«金属结构裂纹验收评定方法指南»㊁ＤＮＶＧＬ￣ＳＴ￣Ｆ１０１«海底管道系统»建议采用屈服强度作为强度匹配参数ꎮＣＳＡＺ６６２«油气管道系统»指出ꎬ因制管过程使得管道轴向屈服强度与环向屈服强度存在较大差异ꎬ但对管材抗拉强度影响较小ꎬ故应以抗拉强度作为强度匹配参数来确定焊缝区材料ꎮ此外ꎬＥｘｘ￣ｏｎＭｏｂｉｌ和ＣＲＥＳ等研究机构也提出采用抗拉强度作为匹配参数[１９－２０]ꎮ由于工程中对于焊接接头抗拉强度的评定相对容易ꎬ所以文中选取抗拉强度作为强度匹配系数ꎬ考虑高匹配１０％㊁等匹配㊁低匹配１０％及低匹配２０％等４种强度匹配形式ꎮ２㊀管道环焊缝应变能力影响因素分析２ １㊀基于应变的裂纹扩展驱动力明确基于应变的裂纹扩展驱动力是基于应变断裂评估的重要一环ꎬ而管道缺陷尺寸(缺陷长度和深度)㊁缺陷位置㊁材料性能(强度匹配)㊁焊缝几何特征及其载荷方式等因素对管道裂纹驱动力均存在影响ꎬ是评价管道应变能力的重要依据ꎮ在基于应变设计中ꎬ应变一般采用管道远端应变来表征ꎬ远端应变是指在管道模型远离裂纹处的均匀轴向应变[２１]ꎮ为节省计算资源ꎬ有限元数值分析中仅仅取一定长度的管道ꎬ因此需要确定合适位置的应变代表管道的远端应变ꎬ文中取远端整个壁厚应变的平均值ε为管道的远端应变ꎬ从有限元结果中提取裂纹尖端张开位移(ＤＣＴＯ)作为裂纹扩展驱动力参量ꎮ２ ２㊀缺陷尺寸对裂纹驱动力的影响缺陷尺寸不仅影响裂纹扩展阻力ꎬ而且影响裂纹扩展的驱动力ꎮ本文研究了４组不同缺陷尺寸下的基于应变的裂纹驱动力影响ꎬ分别是裂纹深厚比ａ/ｔ＝０ １和０ ３㊁裂纹长度分别为π/３６和π/１８时ꎬ结果如图３所示ꎮ在裂纹深厚比ａ/ｔ＝０ １时ꎬ裂纹长度对基于应变裂纹驱动力的影响较小ꎬ因为此时管道失效不是由裂纹失稳断裂所控制ꎬ而是由韧带塑性失稳控制ꎻ在裂纹深厚比ａ/ｔ＝０ ３时ꎬ裂纹长度对基于应变裂纹驱动力的影响较为明显ꎮ同时在裂纹长度为π/１８和π/３６时ꎬ裂纹深度对基于应变裂纹驱动力的影响都较为明显ꎮ由此可见ꎬ基于应变裂纹驱动力对于缺陷深度尺寸要更为敏感ꎮ图３㊀不同缺陷尺寸下的裂纹驱动力Ｆｉｇ ３㊀Ｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｆｅｃｔｓｉｚｅｓ２ ３㊀强度匹配对裂纹驱动力的影响理论上ꎬ通常要求焊缝区材料相对母材采用高强或等强匹配ꎬ但实际工程中管道强度性能数据方差较大ꎬ导致母材实际的屈服强度往往远大于规定的最小屈服强度ꎬ造成高强钢管道环焊缝出现实际低匹配的情况[２２－２３]ꎮ本文研究了４种不同强度匹配形式(低匹配２０％㊁低匹配１０％㊁等匹配和高匹配１０％)对驱动力曲线的影响ꎬ结果如图４所示ꎮ由图４可以看出ꎬ高匹配焊接对环焊缝的承载能力有一定的增强作用ꎬ相较于低匹配ꎬ高匹配情况下的驱动力曲线逐渐向右侧倾斜(斜率减小)ꎬ即以相同的ＤＣＴＯ表征断裂韧度时ꎬ高匹配焊接的环焊缝具备更强的应变能力ꎬ其承载能力也相应增强ꎮ同时ꎬ随着匹配系数的增加ꎬ曲线间距减小ꎬ承载能力的增幅在逐渐减小ꎬ说明高匹配焊缝再单纯提高强度并不能有效提升其承载能力ꎮ图４㊀不同匹配情况下的裂纹驱动力Ｆｉｇ ４㊀Ｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｔｃｈｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ２ ４㊀内压对裂纹驱动力的影响在基于应力的工程临界评估中ꎬ仅仅垂直于裂纹平面的应力才被用于裂纹驱动力的评估中[２４－２５]ꎮ对于含环向环焊缝裂纹缺陷的管道ꎬ在内压作用下ꎬ管道裂纹受到双轴载荷的作用ꎬ由内压产生的环向应力改变了裂纹尖端应力应变场ꎬ如仅仅考虑轴向应力而忽略内压产生的环向应力ꎬ其评估结果２５１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２２年㊀第５０卷㊀第５期可能偏保守ꎮ本文分别模拟得到了无内压㊁内压５和１０ＭＰａ下的裂纹驱动力曲线ꎬ如图５所示ꎮ由图５可以看出ꎬ内压的增加造成驱动力曲线向左倾斜(斜率增大)ꎬ即ＤＣＴＯ相同时ꎬ环焊缝随着内压的增加其应变能力下降ꎬ进而导致承载能力下降ꎮ图５㊀不同内压下的裂纹驱动力Ｆｉｇ ５㊀Ｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｎｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｓ２ ５㊀错边对裂纹驱动力的影响高钢级管道在焊接和装配过程中易出现错边现象ꎬ错边的存在使得管道结构连续性遭到破坏ꎬ会导致焊缝位置应力集中ꎬ同时产生附加弯曲应力ꎬ大大降低管道强度ꎬ进而影响管道安全运行ꎮ本文分别模拟了无错边㊁错边１ ５和错边３ ０ｍｍ下的裂纹驱动力曲线ꎬ结果如图６所示ꎮ图６㊀不同错边情况下的裂纹驱动力Ｆｉｇ ６㊀Ｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｇｇｅｒｅｄｅｄｇｅｓ由图６可知ꎬ错边量的增大也造成驱动力曲线向左倾斜(斜率增大)ꎬ即错边造成环焊缝应力下降ꎬ且下降幅度明显ꎮ在管道的制造过程中一旦出现焊缝错边量偏差大的问题ꎬ极其不容易修复和纠偏ꎬ因此在管道焊接的过程中需要针对焊缝错边问题严格控制ꎮ２ ６㊀变壁厚对裂纹驱动力的影响变壁厚钢管连接处焊接结构不连续ꎬ存在较大的应力集中ꎮ不等壁厚焊接时ꎬ根部焊接质量不易控制ꎬ易出现焊接缺陷ꎮ由于外形尺寸的不规则ꎬ无损检测时易出现根部缺陷漏检ꎮ通过对国内外环焊缝大量失效案例分析ꎬ也充分证实了这个问题ꎮ本文分别模拟了等壁厚(壁厚比＝１ ０)和变壁厚(壁厚比＝１ ２)两种情况下的裂纹驱动力曲线ꎬ结果如图７所示ꎮ由图７可知ꎬ变壁厚焊缝较等壁厚焊缝驱动力曲线向左倾斜(斜率增大)ꎬ即应变能力下降ꎮ图７㊀不同壁厚比情况下的裂纹驱动力Ｆｉｇ ７㊀Ｃｒａｃｋｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｔｉｏｓ３㊀基于应变的管道环焊缝评价方法３ １㊀环焊缝断裂失效准则采用ＤＣＴＯ作为参数描述裂纹扩展驱动力和裂纹扩展阻力ꎮ断裂力学理论认为[２６]ꎬ当符合下列准则时ꎬ断裂将会发生:δａｐｐ＝δＲ(４)ƏδａｐｐƏｅ＝ƏδＲƏｅ(５)式中:δａｐｐ为外加裂纹驱动力ꎬｍｍꎻδＲ为裂纹扩展阻力ꎬｍｍꎻｅ为裂纹扩展量ꎬｍｍꎮ由此ꎬ可以建立两种断裂失效准则:①材料断裂韧度准则ꎬ如式(４)所示ꎬ当外加裂纹驱动力等于裂纹扩展阻力时材料断裂失效ꎬ即通过标准试样测定的材料断裂韧度进行评价ꎻ②裂纹失稳扩展准则ꎬ如式(５)所示ꎬ当外加裂纹驱动力关于裂缝扩展量的导数等于裂缝扩展阻力的导数ꎬ即外加裂纹驱动力和阻力曲线相切于一点时发生失稳断裂ꎬ如图８所示ꎮ需要通过标准试样测定δ或阻力曲线进行评价ꎬ由于断裂韧度相关参量的尺寸敏感性ꎬ试验有效性难以保证[２６－２７]ꎮ韩克江等[１６]㊁帅健等[２８]提出新的裂纹扩展失效准则ꎬ以不同裂纹长度的裂纹驱动力曲线为例ꎬ根据裂纹扩展情况ꎬ分为３个不同的区域(见图９)ꎮ区域１至区域２管道由整体弹性逐渐发展为塑性ꎬ裂纹韧带逐渐颈缩ꎬ区域２的驱动力曲线近似３５１ ２０２２年㊀第５０卷㊀第５期杨辉ꎬ等:基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价㊀㊀㊀㊀㊀㊀图８㊀断裂失稳模型Ｆｉｇ ８㊀Ｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌ图９㊀裂纹扩展驱动力曲线解析Ｆｉｇ ９㊀Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｃｕｒｖｅ呈线性上升ꎮ随着载荷进一步增大ꎬＤＣＴＯ随着裂纹韧带坍塌而急剧增大ꎬ裂纹失稳扩展ꎮ可见ꎬ找到区域２和区域３的临界点对应的极限应变即为管道环焊缝断裂的临界应变ꎮ３ ２㊀环焊缝应变能力评价基于上述两种断裂失效准则ꎬ分别评价含环焊缝裂纹(ａ＝０ ３ｔꎬ２ｃ＝π/１８和π/３６)管道的应变能力ꎬ分别确定对应的临界应变ꎬ如图１０所示ꎮ图１０㊀基于应变的环焊缝评价Ｆｉｇ １０㊀Ｓｔｒａｉｎ￣ｂａｓｅｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｇｉｒｔｈｗｅｌｄ从图１０可知:随着裂纹长度的增大ꎬ按基于裂纹扩展失稳的失效准则ꎬ极限轴向拉伸应变由５ ７２％减小为２ ５３％ꎬ降幅为５５ ８％ꎻ而按基于材料断裂韧度的失效准则ꎬ应变能力由２ ０１％减小为１ ２２％ꎬ降幅为３９ ３％ꎮ图１１为两种断裂失效准则下的极限应变ꎮ图１１㊀两种断裂失效准则下的极限应变Ｆｉｇ １１㊀Ｕｌｔｉｍａｔｅｓｔｒａｉｎｓｕｎｄｅｒｔｗｏｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉａ基于裂纹失稳扩展失效准则评价的是管道极限应变能力ꎬ如果环向裂纹在母材扩展或焊缝区材料经过试验证实断裂韧度较好ꎬ且能够发生延性撕裂ꎬ可以采用该方法进行评价ꎬ以充分利用材料性能ꎮ但基于裂纹失稳扩展准则对环焊缝的断裂韧度要求很高ꎬ工程上不易达到ꎮ如果管道环焊缝的韧性不良ꎬ断裂韧度较低ꎬ则建议选择基于断裂韧度准则的评价方法ꎬ这在工程上是偏于安全并较为实际的做法ꎮ４㊀结论及建议通过有限元分析得到了基于应变的环焊缝裂纹扩展驱动力ꎬ分析了缺陷尺寸㊁强度匹配㊁内压㊁错边和变壁厚等因素对管道环焊缝应变能力的影响ꎬ得到如下结论:(１)缺陷尺寸不仅影响裂纹扩展阻力ꎬ而且影响裂纹扩展的驱动力ꎮ裂纹深度较长度对基于应变裂纹驱动力的影响更为明显ꎮ(２)高匹配焊接的环焊缝具备更强的应变能力ꎬ承载能力也相应增强ꎮ但随着匹配系数的增加ꎬ承载能力的增幅在逐渐减小ꎬ说明高匹配焊缝再单纯提高强度并不能有效提升承载能力ꎮ(３)内压的增大导致环焊缝应变能力下降ꎬ在基于应力的工程临界评估中ꎬ如仅仅考虑轴向应力而忽略内压产生的环向应力ꎬ其评估结果是保守的ꎮ(４)错边和变壁厚等根部不连续会产生明显的应力集中ꎬ削弱环焊缝的承载能力ꎮ结合断裂力学理论及裂纹扩展驱动力演化特征ꎬ对比分析了材料断裂韧度准则和裂纹失稳扩展准则两种管道环焊缝断裂失效准则ꎬ得出基于裂纹失稳扩展失效准则评价的是极限应变能力ꎬ对环焊缝的断裂韧度要求４５１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２２年㊀第５０卷㊀第５期很高ꎬ工程上不易达到ꎬ因此建议选择基于断裂韧度准则的评价方法ꎮ参㊀考㊀文㊀献[１]㊀戴联双ꎬ考青鹏ꎬ杨辉ꎬ等.高强度钢管道环焊缝隐患治理措施研究[Ｊ].石油管材与仪器ꎬ２０２０ꎬ６(２):３２－３７.ＤＡＩＬＳꎬＫＡＯＱＰꎬＹＡＮＧＨꎬｅｔａｌ.Ｈａｚａｒｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｉｎｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｐｉｐｅｌｉｎｅ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓꎬ２０２０ꎬ６(２):３２－３７.[２]㊀燕冰川.高强钢管道环焊缝风险排查技术浅析[Ｊ].石油管材与仪器ꎬ２０２０ꎬ６(２):４６－４８ꎬ５２.ＹＡＮＢＣ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｒｉｓｋｓｃｒｅｅｎｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｉｎｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｐｉｐｅｌｉｎｅ[Ｊ].ＰｅｔｒｏｌｅｕｍＴｕ￣ｂｕｌａｒＧｏｏｄｓ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓꎬ２０２０ꎬ６(２):４６－４８ꎬ５２.[３]㊀王富祥ꎬ玄文博ꎬ陈健ꎬ等.基于漏磁内检测的管道环焊缝缺陷识别与判定[Ｊ].油气储运ꎬ２０１７ꎬ３６(２):１６１－１７０.ＷＡＮＧＦＸꎬＸＵＡＮＷＢꎬＣＨＥＮＪꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｉｄｅｎｔｉ￣ｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｇｉｒｔｈｗｅｌｄｄｅｆｅｃｔｂａｓｅｄｏｎＭＦＬＩＬＩ[Ｊ].Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓ￣ｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬ２０１７ꎬ３６(２):１６１－１７０. 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[２４]㊀ＡＮＤＲＥＷＳＲꎬＣＯＳＨＡＭＡꎬＭＡＣＤＯＮＡＬＤＫ.Ａｐ￣ｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＢＳ７９１０ｔｏｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓａｎｄＰｉｐｉｎｇꎬ２０１８ꎬ１６８:１４８－１５５.[２５]㊀陈健ꎬ汤怡ꎬ孙雷ꎬ等.某河底穿越管道环焊缝缺陷的安全评价[Ｊ].油气储运ꎬ２０１４ꎬ３３(１１):１２２２－１２２４.ＣＨＥＮＪꎬＴＡＮＧＹꎬＳＵＮＬꎬｅｔａｌ.Ｓａｆｅｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｄｅｆｅｃｔｏｆａｒｉｖｅｒｂｏｔｔｏｍｃｒｏｓｓｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅ[Ｊ].Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬ２０１４ꎬ３３(１１):１２２２－１２２４.[２６]㊀程靳ꎬ赵树山.断裂力学[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ２００６:１９４－２０３.ＣＨＥＮＧＪꎬＺＨＡＯＳＳ.Ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓꎬ２００６:１９４－２０３.[２７]㊀杨继运ꎬ张行ꎬ张珉.裂纹扩展阻力曲线与试样厚度关系[Ｊ].北京航空航天大学学报ꎬ２００３ꎬ２９(７):５７５－５７８.ＹＡＮＧＪＹꎬＺＨＡＮＧＨꎬＺＨＡＮＧＭ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅ￣ｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｃｒａｃｋｅｘｔｅｎｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｕｒｖｅａｎｄｓａｍｐｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬ２００３ꎬ２９(７):５７５－５７８.[２８]㊀帅健ꎬ孔令圳.高钢级管道环焊缝应变能力评价[Ｊ].油气储运ꎬ２０１７ꎬ３６(１２):１３６８－１３７３.ＳＨＵＡＩＪꎬＫＯＮＧＬＺ.Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｓｔｒａｉｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｇｉｒｔｈｗｅｌｄｓｉｎｈｉｇｈ￣ｇｒａｄｅｐｉｐｅｌｉｎｅｓ[Ｊ].Ｏｉｌ＆ＧａｓＳｔｏｒａｇｅａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬ２０１７ꎬ３６(１２):１３６８－１３７３.㊀㊀第一作者简介:杨辉ꎬ高级工程师ꎬ生于１９８７年ꎬ２０１３年毕业于中国石油大学(华东)力学专业ꎬ获硕士学位ꎬ现从事管道检测与评价技术研究工作ꎮ地址: (０６５０００)河北省廊坊市ꎮ电话:(０３１６)２０７７５８１ꎮＥｍａｉｌ:ｙａｎｇｈｕｉ０６＠ｐｉｐｅｃｈｉｎａ ｃｏｍ ｃｎꎮ㊀收稿日期:２０２１－１１－１２(本文编辑㊀王刚庆)６５１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀石㊀油㊀机㊀械２０２２年㊀第５０卷㊀第５期。

以应变为基础的管道设计准则及其控制因素随着我国社会的发展与我国经济环境的需要，近些年来我国的油气管道运输业一直处于高速发展的状态下，并且逐渐呈现出长距离、大口径、高流量与高运行压力的发展趋势。

这就要求了各个油气管道可以尽可能更好地适应环境的不断变化。

在本文中，作者将会对于以应变为基础的管道设计准则及其控制因素这一话题进行一定的讨论。

标签：应变；管道设计；控制因素1 前言现如今，我国现使用的大多数管道的设计都是以应力为基础的，但是相比而言，在这种设计方法中存在着很多的问题与缺陷，不能有效地解决管道的强度问题与管道对于外界环境的适应问题。

所以，一种叫做以应变为基础的管道设计准则应该得到及时的应用。

这样可以在管道的设计过程当中更为有效地对于管道的各种影响因素进行一个系统性的分析，从而提升管道工程的整体施工质量，提升管道使用年限，降低管道的后期維护费用，有利于我国的管道运输业的不断发展与进步，同时也可以促进我国的经济发展。

2 以应变为基础的管道设计准则的介绍如果我们将基于应力的设计准则与基于应变的管道设计准则相比较的话，我们可以得出前者是以管道的最小屈服应力为载荷极限而进行管道设计的，而相比之下后者则是建立在极限状态下的设计思想与位移控制载荷，在管道可能发生屈服应变但不影响其正常功能的情况下进行设计与制造的，从而能够充分地发挥管道的能力，在节约成本的同时增加了其的油气运输效率。

（1）极限状态。

极限状态是指结构处于某种动能继续提供原来提供的功能的一种临界状态（临界点），并且大多数情况下，超过这个临界点就会有一定的失效。

举个例子，一个管道可以承受外界压力2000N，所以这个2000N就是这个管道承受外界压力的极限状态，如果给其2000.1N的外界压力，可能其就会发生管体断裂并且造成油气泄露。

但是，事实上，可能在达到管体所能承受的极限状态之前，管体就会发生一定的塑性形变，但不会引起管体断裂，使其依然可以正常工作，这就是以应变为基础的管道设计所允许的情况，但是以应力为基础的管道设计所不允许发生的情况。

基于应变设计用X70大直径UOE管线管的研发柏明卓;郑磊;张备;许海生【摘要】In this article, it studied the different microstructure of steel which obtained by different rolling process, as well as the influence of microstructure on high deformability performance. So the preferred microstructure for the high deformability pipeline steel was obtained. Based on ferrite + bainite dual phase microstructure, the X70 UOE line pipes with low YT ratio, high uniform elongation and High strain aging performance were produced, which realized industrial production for UOE pipe with size of φ1 016 mm×17.5 mm and φ1 016 mm×21.0 mm. Through industrial production data, it analyzed the performance change rule of plate, pipe and aging, and studied the influence of aging temperature and aging time on the strain resistance performance.%研究了不同轧钢工艺钢的不同微观组织以及这些微观组织对管线钢抗大变形性能的影响。