含裂纹缺陷X80钢的有限元分析与安全评价.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）含裂纹缺陷 钢的有限元分析与安全评价王静，杨彬，石岩，（中海油安全技术服务有限公司，天津市滨海新区信环东路中国一重研发大楼 层 ；中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津市滨海新区海川路 号渤海石油管理局大厦 ；河北水利电力学院 机械工程系，河北省沧州市黄河西路 号 ；河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市黄河西路 号 ）摘要：钢是控轧控冷的低碳合金钢，具有良好的强韧性，在油气运输管线中广泛应用。近几年因焊接裂纹引发的失效事故多发，焊接接头服役安全问题备受关注，有关含裂纹缺陷 钢焊接接头的安全评价意义重大。文中利用有限元模拟计算 钢焊接接头在不同应力状态时的同一载荷下，裂纹位于不同位置和不同强度匹配下的断裂参量。结果表明，无论接头处于平面应力还是平面应变状态，高匹配还是低匹配，在同一载荷下，当裂纹位于热影响区（）和熔合线时的犑积分值比母材和焊缝的都大，且熔合线处的犑积分最大，接头最危险。关键词：钢；焊接裂纹；有限元模拟；强度匹配；断裂分析；安全评价中图分类号：；文献标识码：为保障国民经济发展对石油天然气等能源需求供应，提高输送效率，钢以其良好的强韧性成为当前长输油气管道应用最广泛的材料之一 。但随着 钢的工程应用和长期服役，其焊接接头的质量问题比较突出，尤其是焊接裂纹缺陷，成为制约 钢安全使用的主要因素。因此，加强对含裂纹缺陷 钢焊接接头的断裂分析研究，可为 钢的安全使用提供保障。含裂纹结构模型的建立随着有限元的发展，利用有限元在断裂力学中进行数值分析越来越普及。文中采用有限元模拟含裂纹缺陷 钢的断裂情况，为工程评定提供理论依据。裂纹尖端的奇异性处理对于含裂纹结构，由线弹性断裂力学理论知，裂纹尖端具有奇异性。对这种奇异性问题，在有限元模拟中，常在裂纹尖端设置奇异单位，即节点的二次等参单元。裂纹体结构模型的建立在建立三维裂纹模型时，对于含裂纹缺陷的构件，为了满足裂纹尖端的奇异性，其尖端选用 节点实体单元 ，裂纹尖端周围选 实体单元；二维裂纹用节点 单元进行模拟。断裂参量的有限元计算 应力强度因子传统的各种强度理论，实际上是通过观察破坏或屈服现象后提出的各不相同的假设，未能充分考虑材料是否有缺陷，故满足传统强度理论设计准则的构件并不安全，特别是低温、腐蚀环境下的高强度钢焊接结构。而应力强度因子犓作为表征材料断裂的重要参量，与裂纹尺寸、构件几何特征以及载荷有关，可以有效判定含裂纹结构的裂纹扩展及断裂情况。目前，解析法只能处理简单问题，实验法过程复杂，因此绝大多数工程问题都利用数值解法。根收稿日期：修回日期：基金项目：河北省“三三三人才工程”资助项目（）；河北省高等学校基本科研业务费研究项目（）第一作者简介：王静（），女，黑龙江拜泉人，工程师，主要研究方向：安全应急技术。：通讯作者简介：石岩（），女，河北承德人，博士，副教授，主要研究方向为机器人技术及应用、计算机辅助设计。：据文献知，在弹性范围内，利用插值函数得裂纹尖端的犓。犑积分犑积分是一个围绕裂尖的线积分（二维）或一个围绕裂纹前沿的面积分，与积分路径无关。为了避开裂纹尖端的奇异性，取得较高精度，积分路径一般选取远离裂纹尖端点。因此，在通过有限元模拟计算犑积分时，自定义路径的选择要特别注意，被映射到路径上的变量经过运算，沿路径积分就得到模型在特定工况下的犑积分值。断裂分析与安全评价焊接接头是由力学性能不均匀的母材、焊缝和 构成，焊接结构的断裂评定一直受到人们的关注 。文中通过对含裂纹缺陷 钢的断裂参量的有限元模拟计算，分析焊接接头的断裂行为，为 钢的安全评价提供理论依据。有限元模型的建立对 焊接接头进行拉伸试验，其母材和焊缝的力学性能见表。表 钢的力学性能 单位：项目屈服强度抗拉强度 钢母材 焊缝 焊接接头试样简化示意图如图所示，试样尺寸宽为 ，长度为 ，母材的长度为，焊缝的宽度为 ，的宽度为 ，接 头 的 厚 度 为 。杨 氏 模 量犈 ，泊松比狏。预设裂纹长度 ，裂纹深度 ，裂纹中心到熔合线的距离为 ，到底边的距离为 。焊接接 头 各 区 域 的 应 力 应 变 本 构 关 系 采 用 ：狔时，狔（狔）（）狔时，狔（狔）狀（）式（）和式（）中，和分别表示应力和应变；和狔分别为材料的屈服强度和屈服应变；为系数，取值为；狀为 材 料 的 应 变 硬 化 指 数。为 了 考 虑 软化问题，取 的屈服强度为 。有限元模拟时，将平板试样一端自由度全部约束，另一端受均匀拉应力，而且认为接头三个区的力学性能连续均匀，材料的强度选用 屈服准则。母材区；焊缝区；熔合线图焊接接头简化示意图 含裂纹缺陷 钢平板焊接接头有限元模型如图所示，网格划分时，为保证计算的精度和运算的速度，裂纹区和非裂纹区通过划分接头疏密程度不同的网格予以区分，具体见图（）和（）有限元网格的整体划分及裂纹尖端的网格划分。裂纹尖端奇异点的网格采用特殊的节点法划分，裂纹尖端区域网格单位尺寸为 ，远离裂纹尖端 区域网格尺寸为 ，母材区的网格尺寸为 。该模型共有 个节点，个单元。裂纹区与非裂纹区间通过多点位移约束调节，确保网格变形的协调性。（）整体网格模型（）（）裂纹尖端局部网格模型（）图含裂纹缺陷 钢平板有限元模型 有限元模拟的犑积分验证有限元模拟中选取条不同的积分路径，分别从裂纹尖端附近区域开始逐渐向外展开，并以单元载荷增量的形式进行求解。犑积分的计算结果见图，条不同积分路径下求解的犑积分值基本相同，符合积分守恒的基本原理，说明有限元模拟具有较高精度和可行性，因此可以用有限元法来解决工河北水利电力学院学报 图犑积分的有限元模拟结果 程实际中复杂的断裂问题。焊接接头的有限元分析与安全评价焊接接头力学性能的不均匀主要表现在母材、焊缝及 的不同强度组配上。文中通过在焊缝及熔合线处预设相同尺寸的裂纹，有限元模拟计算焊接接头在不同应力状态和不同强度匹配情况下，裂纹位于不同位置处的断裂参量，为 钢的断裂分析和安全评价提供参考。虚拟 钢的焊接接头的强度组配情况如表所示。表虚拟 钢焊接接头的强度组配情况 单位：焊接接头高强匹配低强匹配母材屈服强度 焊缝屈服强度 热影响区屈服强度 断裂参量犑积分主要用于线弹性和弹塑性状态下的断裂分析，而犓多用于线弹性状态下的分析。工程实际中的断裂问题多为弹塑性断裂，且犑积分和犓之间的关系为：犓犑 犈狏槡，其中犈为杨氏模量，狏为泊松比。因此可通过研究犑积分的变化规律反映焊接接头的断裂行为。为模拟含裂纹接头的断裂驱动力犑积分在不同应力状态下的变化规律，文中分别对含裂纹缺陷 钢平板处于平面应力和平面应变状态下不同强度组配的接头计算其犑积分值。有限元计算结果如图和图所示，犘为平板所受的拉伸载荷。如图所示，在平面应力状态下，同一载荷，无论接头为高匹配还是低匹配，裂纹位于焊缝处的犑积分值与母材和焊缝的值基本相等；裂纹位于 处的犑积分值与母材和焊缝的犑积分值稍微有些偏差；裂纹位于熔合线处的犑积分值与母材或焊缝的犑积分值相差较大，且其犑积分值最大。可以看出，对含有焊接裂纹的 钢薄板进行断裂分析时，无论接头为何种匹配方式，裂纹位于接头的何种位置时，焊接接头的断裂犑积分可以用母材或焊缝材料的犑积分替代。从能量的观点分析，在平面应力状态下，当接头在外加载荷作用时，裂纹体会吸收载荷能量并逐步发生变形，结构的弹塑性应变能也会增加。高匹配时，当裂纹位于焊缝时，因母材的强度较焊缝金属的强度低，变形发生的应力大都集中于母材区，故裂纹前沿吸收的能量都会向母材扩展释放，裂纹尖端的能量密度会降低，母材区吸收能量后整体发生变形较小；裂纹位于 时，因 的强度较低，所以其裂纹扩展驱动力相对母材或焊缝来说要大，但由于其受母材和焊缝高强度周围的保护作用，裂纹不容易发生失稳扩展；当裂纹位于熔合线上时，因熔合线处晶粒粗大、性能较差，且位于焊缝和 的边界，易受 低强度影响，无论接头为何种匹配方式，熔合线处的裂纹扩展驱动力最大 。如图所示，在平面应变条件下，裂纹位置的影响比平面应力条件下的影响更大。同一载荷下，高匹配时，当裂纹位于焊缝时，裂纹尖端的积分值在母材和焊缝的犑积分之间，且犑积分值与母材或焊缝的相差较大，犑积分值母材的最大，焊接接头的次之，焊缝的最小。当裂纹位于犎犃 犣和熔合线处时，其犑积分值均比母材或焊缝时的要大，且位于熔合线处的犑积分值最大。平面应变条件下，同一载荷下，接头为低匹配时，当裂纹位于焊缝时，裂纹尖端的犑积分值也在母材和焊缝犑积分之间，但犑积分值的大小则与高匹配时相反，犑积分值焊缝的最大，焊接接头的次之，母材的最小。裂纹位于 和熔合线处时，犑积分的变化趋势与高匹配时相同。平面应变条件下的塑性区宽度约为平面应力状态下的，它是一种很硬的应力状态。从能量的观点分析，同一载荷下，高匹配时，当裂纹位于焊缝时，因母材的强度较焊缝低，在平面应变时，由于塑第期王静等：含裂纹缺陷 钢的有限元分析与安全评价性区较小，应力集中程度较严重，则吸收的载荷能量会转化为母材区的塑性变形能，从而使较大的应力集中得到释放，母材会有较大的应力集中，故母材相对于焊接接头来说裂纹扩展驱动力较大，而焊缝的裂纹扩展驱动力最小；低匹配时，由于焊缝强度较低，则焊缝的裂纹扩展驱动力相对于母材的要大。而裂纹位于 和熔合线处时，由于此处强度较低，相对于母材和焊缝来说，裂纹扩展驱动力都大。因熔合线处组织及性能较差，相对热影响区周围母材及焊缝的保护作用来说，其裂纹扩展驱动力最大。（）高强匹配下平板裂纹的犑积分有限元模拟结果（）（）低强匹配下平板裂纹的犑积分有限元模拟结果（）图平面应力状态下不同组配平板裂纹的犑积分有限元模拟结果 （）高强匹配下平板裂纹的犑积分有限元模拟结果（）河北水利电力学院学报 （）低强匹配下平板裂纹的犑积分有限元模拟结果（）图平面应变条件下不同组配平板裂纹的犑积分有限元模拟结果 由图和图可知，无论接头处于平面应力还是平面应变状态，高匹配还是低匹配，在同一载荷下，当裂纹位于 时，的犑积分值都较母材和焊缝的犑积分要大，而裂纹位于熔合线处时，其犑积分值最大，熔合线处的焊接裂纹是最危险的。工程实际中必须要注意 的软化问题和熔合线处的质量，研究 和熔合线对整个焊接接头的承载能力的安全评价具有重要的应用意义。因此，焊接接头的犑积分不仅要考虑焊缝与母材的强度匹配情况，还要考虑裂纹焊接接头的位置及平板的厚度，从而得到较为安全的评定结果。结论文中主要介绍了含裂纹缺陷 钢的断裂参量的有限元分析方法，运用有限元模拟对 钢平板进行断裂分析，同时研究不同应力状态下，强度匹配和裂纹位置对裂纹尖端的断裂参量变化规律，并适时进行安全评价，得出以下结论：）选择条积分路径下的犑积分模拟结果，符合犑积分守恒的基本原理。说明利用有限元计算具有较高的精度和可行性。）在平面应力状态下，同一载荷，无论接头为高匹配还是低匹配时，裂纹位于焊缝处的犑积分值与母材和焊缝的值基本相等；裂纹位于 处的犑积分值与母材和焊缝的犑积分值稍微有些偏差；裂纹位于熔合线处的犑积分值与母材或焊缝的犑积分值相差较大，且其犑积分值最大。）在平面应变条件下，同一载荷下，当裂纹位于焊缝时，高匹配时，裂纹尖端的犑积分值在母材和焊缝的犑积分之间，且犑积分值与母材或焊缝的相差较大，犑积分值母材的最大，焊接接头的次之，焊缝的最小，低匹配则与高匹配时相反。无论接头为高匹配还是低匹配时，当裂纹位于 和熔合线处时，其犑积分值均比母材或焊缝时的要大，且位于熔合线处的犑积分值最大。）无论接头处于平面应力还是平面应变状态，高匹 配 还 是 低 匹配，在同 一 载 荷下，当裂 纹 位 于 时，的犑积分值都较母材和焊缝的犑积分要大，而裂纹位于熔合线处的犑积分值最大，熔合线处的焊接裂纹是最危险的。因此，工程实际中必须要注意 的软化问题和熔合线处的质量。参考文献周桂娟，童志，陈晓军，等 管线钢焊接与焊缝开裂影响因素研究进展材料导报，（）：隋永莉国产 管线钢焊接技术研究天津：天津大学，曹宗杰，闻邦椿，王志超一种计算三维裂纹应力强度因子的新方法力学季刊，（）：宋启明，李国成三维积分在 中的计算石油化工设备，（）：邱保文 管线钢韧性断裂研究与有限元模拟湖北：武汉科技大学，杨叠，苗绘，邓俊，等大口径 钢级管道环焊缝断裂韧性需求研究焊接技术，（）：张振永，张文伟，周亚薇，等中俄东线 埋地管道的断裂控制设计油气储运，（）：冯庆善高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考油气储运，（）：吴锴，张宏，杨悦，等考虑强度匹配的高钢级管道环焊缝断裂 评 估 方 法 油 气 储 运，（）：白永强，汪彤，吕良海，等油气管道内部轴向表面半第期王静等：含裂纹缺陷 钢的有限元分析与安全评价椭圆裂纹弹塑性断裂分析石油化工高等学校学报，（）：犉 犻 狀 犻 狋 犲犈 犾 犲 犿 犲 狀 狋犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊犪 狀 犱犛 犪 犳 犲 狋 狔犈 狏 犪 犾 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犡 犛 狋 犲 犲 犾狑 犻 狋 犺犆 狉 犪 犮 犽犇 犲 犳 犲 犮 狋 ，（，；（），；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（“”），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：郭书俊檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）（上接第 页），（），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：孙刚）河北水利电力学院学报