海底管線鋼焊接接頭的安全評定及壽命預(yù)測

1、海底管線鋼焊接接頭的安全評定及壽命預(yù)測46卷增刊2005年11月中國造船S珊PBIDGOFCAVo1.46SpecialNov.2005文章編號:10004882(2005)S一038707海底管線鋼焊接接頭的安全評定及壽命預(yù)測鄧彩艷,張玉鳳,霍立興,張莉,白秉仁2,李小巍2,曹軍2(1.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072;2.中國海洋石油工程股份,天津300452)摘要本研究在給定裂紋尺寸和載荷條件下,根據(jù)CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗結(jié)果,采用歐共體提出的結(jié)構(gòu)完整性評定方法SINTAP(StructuralIntegrityAssessmentProcedure),針對API5

2、LX65管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進行評定.根據(jù)拉伸試驗結(jié)果,建立了X65管線鋼焊接接頭焊縫和母材的一級,三級評定曲線.評定結(jié)果表明,不論是采用一級或是三級評定,各評定點均在評定曲線定義的范圍內(nèi),說明該結(jié)構(gòu)是安全的.并根據(jù)上述評定結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命估算,具有實際的工程意義和經(jīng)濟價值.關(guān)鍵詞:SINTAP;失效評定圖;安全評定;壽命預(yù)測1引言在海底油氣輸送管道的焊接結(jié)構(gòu)中,焊接接頭是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),并且在焊接以及運行過程中不可避免會產(chǎn)生各種缺陷,從而影響管道的正常運行.因此,對含缺陷焊接接頭進行安全評定具有重要意義.雖然目前存在很多評定方法,但是為了統(tǒng)一歐洲的缺陷評定方法和為將來形成歐洲

3、標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)提供指導(dǎo)性文件,歐共體提出了SINTAPtl;評定方法(StructuralIntegrityAssessmentProcedure).它是一個多學(xué)科的Brite.Euram工程,從1996年到1999年來自9個國家的l7個組織加入到這個工程中,并與BS(BritishSteel,現(xiàn)為corus)合作.SINTAP是對焊接結(jié)構(gòu)進行”合于使用”評定的一種方法,涉及到脆斷領(lǐng)域和塑性破壞,以及二者之間的相互作用.本文通過對API5LX65管線鋼焊接接頭進行試驗和分析,應(yīng)用SINTAP方法對該管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋進行了評定,并對其疲勞壽命進行了預(yù)測.2SINTAP簡介2.1分析等級

4、SINTAP方法根據(jù)材料拉伸數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度劃分為6個等級,本評定采用前三個標(biāo)準(zhǔn)等級進行評定.第一級評定是初級評定,僅僅需要知道材料的韌度,屈服強度和抗拉強度.第二級評定是考慮匹配問題的評定,主要針對第一級中的不均勻材料,如焊縫與母材強度比大于10%的情況.第三級評定是最先進的標(biāo)準(zhǔn)等級,等同于R6中的選擇2,該等級需要材料的韌度數(shù)據(jù)和全應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線.在一,二等級評定中,評定曲線的產(chǎn)生是在不知道全應(yīng)力應(yīng)變曲線的情況下以材料抗拉性能的保守性估計為基礎(chǔ).但通過全應(yīng)力應(yīng)變曲線可得到更準(zhǔn)確,低保守性的結(jié)果.在這種情況下,應(yīng)力收稿日期:2005.08.04基金項目:中國海洋石油工程股份資助項目中國造船

5、學(xué)術(shù)論文應(yīng)變曲線的每一個細(xì)節(jié)都被準(zhǔn)確地表示.SINTAP程序提供一個CDF(CrackDrivingForce)方法和一個FAD(FailureAssessmentDiagram)方法,二者互補但給出相同的結(jié)果.本文采用了FAD方法進行有關(guān)構(gòu)件的評定.SINTAP-FAD方法的基礎(chǔ)方程為K,=,(L,)式中K,為K,/,L,為施加載荷,與極限載荷Fr(Fr與屈服強度有關(guān),并且依賴于幾何形狀和缺陷尺寸)的比值.如果點(L,)在斷裂評定曲線定義的范圍內(nèi),那么即可避免斷裂的發(fā)生.2.2基本方程(1)第級評定:材料是否具有Lnders平臺非常重要.對有Lnder屈服平臺的材料,函數(shù)I(L,)為當(dāng)0L&

6、amp;lt;1時,當(dāng)Lr=1時,(L,(Lr-1)=式中.;L:1+EAe,=0.03751一Il1000I當(dāng)1L,<時,I(L,)=,(L,=1)×)對連續(xù)屈服(不具有屈服平臺)的材料,函數(shù)f(Lr)為當(dāng)0L,<1時,)=1+矧舢們唧(_)式中:minl0.001E/Oo.2當(dāng)1Lr<時,式中形變硬化指數(shù)N:I(L,)=,(L,=1)×一);塑性破壞極限定義為:ll;2LJo.是材料的屈服強度;ob是材料的抗拉強度.(2)第二級評定對強度不匹配焊件結(jié)構(gòu)的SINTAP方法是以修改的R6方法和ETM-MM方法為基礎(chǔ)的,主要針對母材和

7、焊縫強度比大于10%的情況.(3)第三級評定這個等級的斷裂線是通過材料的全應(yīng)力一應(yīng)變曲線得到的.斷裂線的定義為46卷增刊鄧彩艷等;海底管線鋼焊接接頭的安全評定及壽命預(yù)測舄等魯式中參考應(yīng)力=O”sL,參考應(yīng)變8為在材料的真應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中與參考應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值.3參數(shù)確定3.1強度和韌性對X65管線鋼母材和焊縫進行了拉伸試驗(取標(biāo)距為25ram,標(biāo)距內(nèi)直徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣),得到了工程應(yīng)力_應(yīng)變曲線及強度數(shù)據(jù)(如表l所示).表1焊縫和母材的拉伸試驗結(jié)果根據(jù)工程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,可得到母材和焊縫的真應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1)0.00o400BO01O012O.14O.16O.180.208

8、a)母材(Parentmeta1)000n020.040_舶00tO0120140e0B8b)焊縫(Weldmeta1)圖1母材和焊縫真應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線斷裂韌性試驗采用帶單邊預(yù)制疲勞裂紋的三點彎試樣,根據(jù)BS7448標(biāo)準(zhǔn)在0”C下進行.斷裂韌性試驗結(jié)果示于表2.取最小值進行評定:8m=0.785(母材);8m-0.369(焊縫).中國造船學(xué)術(shù)論文表2X65鋼焊縫和母材Occ時的斷裂韌度3.2缺陷尺寸及載荷情況裂紋尺寸:裂紋長度2-5mm(取所能探傷到的最小值),深度a=2.2mm(12.7mm壁厚的鋼管采用8層焊道,取1個焊道的高度),裂紋位于焊趾部位.該管線鋼在拱彎條件下水泥涂層厚度為10

9、0rain,水深為73mm時所受的軸向應(yīng)力最大(口1=411MPa),并且彎曲應(yīng)力的最大值為280MPa,此評定采用該最大值.殘余應(yīng)力按照以下三種情況取值:最小值:0.4a=191.36MPa,采用這樣的數(shù)據(jù)對評價結(jié)果是偏安全的.3.3評定曲線(1)第一級根據(jù)母材和焊縫的抗拉試驗結(jié)果及工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線可知:母材連續(xù)屈服,而焊縫有屈服平臺,所以由y(Lr)的表達式可得出母材和焊縫的失效評定曲線.(2)第二級本研究中,焊縫屈服強度與母材屈服強度相差很小(不大于lO%),基本為等匹配接頭,因此不需采用該等級進行評定(3)第三級根據(jù)母材和焊縫的真應(yīng)力.應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1),結(jié)合第三級的評定方法可得

10、到失效評定曲線見圖3(c)和圖3(d).4安全評定4.1評定計算(1)塑性極限載荷FY的確定管材的塑性極限載荷經(jīng)過有限元建模后進行計算.其中裂紋尺寸:2c=-5mm,a=2.2mm,裂紋位于焊趾部位有限元模型如圖2所示.(a)管材整體模型.(b)裂紋尖端網(wǎng)格(c)沿管軸向網(wǎng)格圖2有限元模型46卷增刊鄧彩艷等:海底管線鋼焊接接頭的安全評定及壽命預(yù)測經(jīng)過以上有限元計算可以看出,所給出的表面裂紋尺寸對結(jié)構(gòu)整體的塑性屈服載荷影響很小,整個結(jié)構(gòu)中母材最先達到屈服,與其對應(yīng)的應(yīng)口平均分為8段,通過公式(1)估算每一段的循環(huán)次數(shù):aj-ajq(1)式中(da/dN)j根據(jù)Paris公式進行計算:da/dN=

11、(A回.在疲勞裂紋估算中,應(yīng)力強度因子范圍根據(jù)式(2)進行計算:AK:MAer#ra(2)N=NJ(3)Jzl按式(3)將每一段得到的循環(huán)次數(shù)進行累加得到總的循環(huán)次數(shù).EngineeringFractureMechanics,2oo67(6):481-514.BS7448:Part1:1991,Fracturemechanicstoughnesstests.Part1.MethodfordeterminationofKic,criticalCTODand州ticalJvaluesofmetallicmaterialsS】.BS7448:Part2:1997,Fracturemechanicst

12、oughnesstests.Part1.MethodfordeterminafionofKIc,criticalCTODandcriticalJvaluesofweldsinmetallicmatedalsS】.StaceyA,BarthelemyJLeggaaRH,AinsworthRA.IncorporationofresidualstressesintotheSINTAPdefectassessmentprocedureJ.EngineeringFractureMechanics,2000,67(6):573-611.霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定【M】.北京:機械工業(yè)出版社,2000

13、.46-77.SafeAssessmentandLifePredictionofweldinOffshorepipelineDENGCai.yan¨,ZHANGYufengn,HUOLi.xingl1,ZHANGLi)BAIBing-ren,LIXiao-wei,CAOJun)(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.OffshoreOilEngineeringCo.LTD,Tianjin300452,China)AbstractAccordingtotheCTOD

14、(CrackTipOpeningDisplacement)testresultandusingtheSIN-TAP(StructuralIntegrityAssessmentProcedure)sponsoredbytheEuropeanCommission.cracksizeandloadisgiven.andtheassessmentiscarriedoutonsurfaceflawatthetoeofweldinAPI5LX65pipeline.Basedontlletensiletestresultsofbasemetalandweldmeta1.theassessmentdiagramoflavelOneandLeveleiscreated.Theassessmentresultsindicatetllata1ltheassessmentpointsarewithintheregionsdefinedonthefailureassessmentdiagramsusingbotllLevelOneandLevelThree.sothe