管线钢管韧性的设计和预测

韧性的设计和预测是油气管线设计的重要内容。基于油气管线脆性断裂的防止、裂纹起裂阻力的优化和延性断裂扩展的控制,本研究对管线钢管的脆性断裂韧性、起裂韧性和延性断裂止裂韧性的设计和预测进行了分析和讨论。管线钢管的脆性断裂韧性设计以在最低运行温度下,DWTT试样85%SA作为设计和评定的标准;当进行起裂韧性设计和预测时,以最大理论临界裂纹尺寸的90%作为钢管所容忍的临界裂纹尺寸,临界裂纹尺寸所对应的韧性即为起裂韧性;天然气管道延性断裂止裂韧性设计的基本方法为Battlle双曲线方法及其简化公式。     

基于裂纹尖端张开角的Battelle双曲线模型修正

天然气管道止裂控制的核心是管道止裂韧性的预测,对于强度高、韧性好的高钢级管道,传统基于夏比冲击韧性的Battelle双曲线模型(BTCM)已不再适用,亟待基于新的断裂参数建立相应止裂控制准则。针对这一问题,选取具有广泛应用前景的裂纹尖端张开角(λ_CTOA)作为止裂韧性参数对BTCM进行修正。根据管道裂纹扩展过程受临界λ_CTOA控制的基本事实,由能量平衡理论建立了基于临界λ_CTOA的管道止裂压力求解模型。借助管道裂纹动态扩展数值模拟方法,通过大量计算讨论了不同止裂韧性临界λ_CTOA下裂纹前缘压力与裂纹扩展速度之间的关系。基于上述结果数据对BTCM进行修正,形成了基于临界λ_CTOA的双曲线模型(CBTCM)。将不同模型止裂压力与裂纹扩展速度预测结果对比可知,CBTCM模型有望解决传统模型预测结果偏于危险的问题,为高钢级管道止裂控制提供了全新参考。     

X100高压输送管线裂纹止裂预测探讨

参考目前X100高钢级管线全尺寸气体爆破试验结果,讨论了管线钢材料流变应力、DWTT能量对管道止裂行为的影响,研究分析了现有裂纹止裂预测模型对X100高钢级管线预测的局限性.提出了M参量(M=CV NV2/yS)的预测方法.分析结果表明,用参量M可以很好地预测管线裂纹扩展和止裂.结合材料流变应力、DWTT能量和参量M可以为实际管道工程用钢管的关键力学性能指标的确定提供支持.     

管线钢管的止裂预测

针对过去十年中管道韧性断裂的止裂预测与全尺寸试验结果不相符,致使标准预测工具对现代管道设计的适用性出现的问题。SZMF公司开发出了新的止裂预测方法。基于能量的判断应考虑到材料韧性的止裂压力预测。在有限元模型的数值方法中,代表材料抗力的基于能量的内聚区模型包含了材料损失,材料的力学性能特征值根据预制疲劳裂纹试样的落锤撕裂试验(DWTT)来确定。     

X120管线钢管爆破试验及止裂设计的研究

为了研究X120(827 MPa)钢管的爆破容量从而正确评估钢管的结构性能,进行了一系列的全尺寸试验和有限元分析,同时进行了爆破和断裂止裂研究,进行了全尺寸止裂试验以评估X120钢管材料本身的止裂能力。爆破试验和分析的结果表明,该X120钢管有很强的抗内压能力。试验所讨论的模型未预测到X120管线钢管固有裂纹止裂所需要的韧性,但是,在不太严格的设计情况下,对于有固有裂纹止裂能力的X120钢管可能具有足够的止裂韧性。     

西气东输二线用X80级钢管断裂韧性指标探讨

回顾了管线裂纹止裂研究的成果,通过实物试验分析表明,20世纪70年代的止裂公式在确定高韧性管线的止裂行为上已偏于危险。结合西气东输二线工程工况,提出了断裂韧性指标确定的原则和基本要求。根据不同标准对延性止裂的论述,通过止裂韧性研究,确定了西气东输二线用管止裂所需的韧性指标。     

X100管线钢管的技术要求及研究开发

结合X100管线钢管开发研究成果,对X100管线钢管开发研究中普遍关注的断裂控制、高屈强比、各向异性、缺陷容限和韧脆转变行为等主要问题进行了分析讨论。研究结果表明,用DWTT试验和Battelle总结的85%SA对应温度经验方法能准确预测X100钢管的韧脆转变温度和断裂行为;目前只有全尺寸实物爆破试验法是适用于X100管线裂纹止裂行为预测的可靠方法。因此,X100管线钢管的应用还需根据具体管线服役工况,在API SPEC 5L标准基础上,补充屈强比、止裂韧性及DWTT等关键技术指标的要求,以保证X100管线的服役安全。     

西气东输管道延性断裂的止裂控制

正确合理地确定管材止裂韧性数值，是西气东输管道设计中的重大关键问题之一。为保证设计安全，管道的止裂设计必须建立在全尺寸止裂爆破试验的基础上，即用全尺寸止裂爆破试验来验证用模型预测并经公式修正的止裂韧性预测值。本文介绍了加拿大建设Alliance输气管道时进行的全尺寸止裂爆破试验，实验结果表明，实际止裂韧性值与用美国Battelle研究所的TCM双曲线模型和Leis修正方法计算出的预测值相吻合，我国西气东输管道的设计参数没有超出国际上经过全尺寸爆破实验验证的输气管道的数据范围，故建议采用CTM双曲线预测模型预测西气东输管道所需要的止裂韧性值，当计算出的止裂韧性数值大于94J时，采用大于1.0的Leis修正系数进行修正，文中还讨论了CVN试样断口分离现象对止裂性能的影响，控制止裂韧性应采用的试验方法与设备以及现场采用空气试压时应注意的问题。     

腐蚀作用下高钢级管道延性断裂可靠性分析与研究

针对输气管道易发生长程裂纹扩展问题，在修正管道止裂韧性预测公式的基础上，根据同一制管批次内钢管夏比冲击功的平均值和标准差，统计高斯分布特征计算裂纹止裂和裂纹扩展的钢管数量占比，并通过管道裂纹扩展组合确定止裂概率，进而对管道进行可靠性分析。结果表明，采用1.8的修正系数可将90%的裂纹扩展点和100%的裂纹止裂点分开，计算的止裂韧性值满足单根钢管的止裂要求；可通过提高夏比冲击功的平均值或改变标准差实现止裂钢管数量占比的提高；8根钢管判定原则下比5根钢管判定原则下对应的运行年限少1～3 a，说明采用8根钢管判定原则计算管道可靠性更加保守；当管道位于一级二类地区及以上时，延性断裂引发的管道失效风险更大，当管道位于二级地区及以下时，强度失稳引发的管道失效风险更大。     

天然气输送管线的止裂机理研究

对天然气输送管道裂纹的受力情况及裂纹的止裂机理进行了较为详细的分析,结果表明：管道轴向裂纹动态扩展的止裂性能与管材抵抗轴向裂纹扩展的能力有关,但在天然气传输管道中,减压速度低,管道阻止轴向裂纹扩展的韧性对动态裂纹的止裂并不起决定的作用,其止裂的关键是裂纹动态扩展过程中产生偏向环向的Ⅰ-Ⅲ型裂纹扩展.增大轴向裂纹扩展阻力和降低管材环向裂纹扩展阻力均可提高天然气输送管道的止裂性能.因此,在高压长输管线的止裂问题中应充分考虑管材的各向异性对裂纹止裂的有利影响,以降低管线的造价.     

高钢级管线钢的延性断裂: CVN和DWTT动态冲击试样应力状态和能量的研究

针对高强韧钢的止裂性能,讨论了可用的管道止裂预测技术的现象学基础和局限性,以及在更大塑性变形时如何修订和修正结构钢的韧性,以便更好地理解在这种情况下钢的延性断裂过程。通过进行GTN损伤模型和扩展有限元（XFEM）模型的数值分析,包括参数的校准和灵敏度分析,对采用三点弯曲加载方式的X80钢夏比冲击试样及DWTT试样进行了模拟。结果表明:两种模型在应力状态和能量方面的结果都很接近,说明两种方法都可以考虑用作所需分析的比对。GTN模型更具现象学性,而XFEM模型被证明更简单、更实用。此外,应力场和能量可以针对所研究的几何形状进行量化,并且此类分析表明了夏比和DWTT试样表征描述稳态延性断裂扩展和止裂所需能量的可能性和局限性。结果支持进一步研究相关管道完整性评定。     

一种新的裂纹尖端临界张开角的计算方法

介绍了一种新的裂纹尖端张开角(Crack Tip Opening Angle,简称CTOA)的计算方法。利用联盟管道的有关数据及有限元分析,拟合得出了高韧性管材(CTOA)c与Charpy冲击韧性Cv非线性段的经验公式;用管材Charpy冲击韧性Cv试验结果计算得到的(CTOA)c与用DWTT试验结果的经验公式计算得到的(CTOA)c非常吻合。这为高韧性管材(CTOA)c的计算提供了新的方法,可对天然气管道断裂控制计划的制定提供参考。     

缺陷管道疲劳寿命预测新模型及试验验证

传统的韧性控制单参数疲劳寿命预测方法不适用于高韧性管线钢的疲劳寿命预测。鉴 于此,根据Paris疲劳裂纹扩展速率公式da/dN=c(ΔK)n,基于失效评估图(FAD)技术,同时 考虑疲劳裂纹扩展对裂纹尖端应力强度因子和参考应力的影响,建立了对管道疲劳寿命进行预测 的新模型,并通过自行研制的一套用于油气输送管道全尺寸实物疲劳试验系统做了验证。结果表 明:新模型计算结果为试验结果的1/2左右,从疲劳寿命预测角度是完全可接受的,具有一定的 工程安全性。     

高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术研究

为了全面掌握高钢级管道止裂韧性预测方法,对高钢级管道全尺寸气体爆破试验技术进行了研究。在设计试验流程、钢管排布、传感器安装和数据采集等方案的基础上,对Φ1 422 mm X80钢级螺旋缝埋弧焊管进行了压力13.3 MPa的全尺寸气体爆破试验。结果显示,管道全尺寸爆破试验顺利实施,裂纹扩展速度、减压波等数据采集技术可靠,测试结果准确,与理论计算结果一致性较好。结果表明,我国已攻克并掌握全尺寸气体爆破试验关键技术,进一步提升了管道断裂控制研究方面的能力。     

高韧性管线钢止裂韧性参数CTOA测试方法研究进展

裂纹尖端张开角（CTOA）已被应用于高韧性管线钢的止裂韧性评定。简要介绍了裂纹尖端张开角CTOA的定义,详细介绍了目前使用较广的4种CTOA测试方法,即稳态撕裂时直接测量法（光学显微和数值图像相关方法）、试验后测量（显微形貌法）、有限元法和通过δ5间接测量法,并对这几种方法的适用性及存在的问题进行了探讨,为CTOA测试方法的推广应用及今后进一步的丰富与完善打下了基础。     

高强度管线钢DWTT性能研究

DWTT(落锤撕裂试验)是一种主要用于评价脆性断裂止裂性能的试验方法。实验室在不同条件下轧制了X100管线钢,并按JIS(日本工业标准)和API SPEC 5L/ISO3183标准加工了拉伸试样和DWTT试样,在-20℃条件下进行DWTT并测量DWTT能量和剪切面积。研究了始冷温度对DWTT性能、脆性断口形貌、显微组织及织构的影响。结果表明:X100管线钢DWTT典型的脆性断裂是分离和倾斜断裂,当管线钢形成铁素体和贝氏体双相显微组织时,即产生断口分离;当形成单相贝氏体显微组织时产生倾斜断裂。抑制倾斜断裂和明显的断口分离对提高管线钢的DWTT性能十分重要。     

加B低C贝氏体X80钢在UOE管线钢管中的应用

提出了超低温条件下加B低C贝氏体钢的抗起裂和止裂能力的冶金学方案。分析了B元素对管线钢管韧性和强度的影响及低温韧性大壁厚X80级UOE管线钢管的冶金学方案。研究了最佳化学成分及热机械控制轧制工艺对提高母材落锤撕裂性能的影响,以及提高焊缝夏比冲击特性的最佳焊接条件。开发出了满足API和DNV规范的,具有高强度和低温韧性的加B低C贝氏体钢。