基于BS7910含缺陷焊接结构的断裂和疲劳ECA评定研究及软件开发

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1、j 咝蜜回 天毕大薯 爹 * 、 二F | 3 。I 霪甏| ij 麓馨| 嚏麓。 I | | 蔑I I j | | | | _ I I - _ _ - I l _ I - 二_ l - - Y | ? i 然| ? 矗? j 麓ii I 凌 0 二级学科：榜料科学与工程 | | | 。攀一 一学科专业：特料加工工程 作者姓名：主建平 指导教师：霍立兴教授 广，出Il ：- - T T 内止疗h 摘要 摘要 焊接结构广泛应用于能源、交通、建筑、化工等关乎国计民生的重要部门 中，焊接加工方法的特点决定了生产过程中在焊接接头部位出现类似裂纹、气 孔、夹渣、未熔合等不连续性缺陷及弯曲、扭转、错边等各

2、种几何形状偏差的 可能性。这些缺陷和变形在结构服役过程中对外载作用极为敏感，往往成为引 起应力集中、促进裂纹扩展直至结构最终失效的根源。因此，基于合于使用 原则对含缺陷焊接接头进行断裂及疲劳性能分析和评价不仅可优化施工过程、 最大限度防止出现缺陷和变形的可能性，而且对降低生产成本、提高经济和社 会效益具有重要意义。 断裂力学是2 0 世纪固体力学重大成就之一，是工程材料与构件强度估算和 寿命预测的重要理论基础。基于断裂力学原理的一些断裂参量( 平面应变断裂 韧性K i t 和J l c 以及裂纹尖端张口位移临界值5 I c ) 和准则已经成为工程材料与 结构设计规范的重要组成部分。将断裂力学理

3、论应用于含缺陷结构的失效评定， 已在国际上形成了一个分支学科，涌现出诸如A S 啪E 、B S IP D 6 4 9 3 、W E S 一 。2 8 0 5 、R 6 及D N V 等知名的通用评定规范和行业标准。 断裂力学理论的发展促进了实现缺陷等级评定的科学化。英国B S IP D 一 6 4 9 3 于2 0 0 0 年颁布了其修订版，改代号为B S 7 9 1 0 ：1 9 9 9 。该标准中以失效评 定图( F A D ) 作为防止含缺陷结构发生弹塑性断裂的评定准则，给出了平板、 曲面、管接头、园棒、栓柱及焊接接头等结构中含有单个或多个表面缺陷、埋 藏缺陷、贯穿缺陷时的相应评定方法。

4、标准中按所提供的材料的力学性能数据 的详细程度将缺陷评定划分为三个等级，等级越高，评定所需要的力学性能数 据越多，而评定所得结果的保守性却越低。此外，针对含缺陷结构受循环载荷 时的疲劳性能评定也提出了两种方法，即通过对裂纹扩展速率进行积分得到结 构寿命的断裂力学疲劳评定法和依据含缺陷构件实际的S - N 曲线与要求的S - N 曲线相比较的质量分类评定法。 本文在广泛查阅国内外有关缺陷评定的科技文献资料的基础上，以B S 7 9 1 0 为基础，同时参考1 t 6 、S I N T A P 等标准，用V I S U A L B A S I C 6 0 ( V B ) 作为开发工 具，以相应的算

5、法为手段研制了一套包括缺陷复合、含缺陷结构断裂和疲劳性 能工程临界评定( E c A ) 的应用软件。该软件不仅人机交互界面友好、操作简单， 而且经调试顺利通过具体例证检验，验证结果与D N r 评定结果相比，误差均小 于0 1 。 用所开发的软件对经过正火热处理、承受1 2 8 吨载荷的球铰轴进行断裂性 能评定。选用2 A 级评定标准，并选取应力强度因子K 犯作为断裂评定参量。通 天津大学博士学位论文 过有限元分析软件A N S Y S 的结构分析以及热分析功能，计算得到了断裂面上 的膜应力和弯曲应力参数。通过分别对存在于球铰轴断裂面上的半椭圆表面裂 纹、环形表面裂纹的评定，结果表明裂纹深度

6、尺寸和热处理残余应力是导致轴 发生失稳断裂的主要原因，两种情况下裂纹深度极限尺寸皆为0 7 1 m m 。说明当 轴的表面一旦存在深度大于0 7 1 r a m 的裂纹时，该轴即可能发生断裂。 海底油气输送管线是典型的焊接结构，由于海底管线通常处于复杂的受力 状态( 重力、各种压力等静态力，机械振动、海水反复冲击等动态力，台风等 不可预知的外力) 和恶劣的周围腐蚀性环境中( 大气腐蚀、海水腐蚀等) ，因 此，在管线铺设阶段及随后的服役过程中不可避免的会出现焊接缺陷和变形。 恶劣的受力条件及服役环境会促使缺陷扩展至管线发生塌陷、泄漏甚至断裂事 故，造成极大的经济损失和重大的海洋环境污染事故。因此

7、，对这类焊接结构 的安全性加以正确评价是十分必要的。 位于中国渤海湾的旅顺至大连间海底外输管线铺设总长度约5 9 2 公里，最 大水深3 3 米左右。所用材料为A P I 5 L X 5 6 ，管道外直径3 2 4 m m ，壁厚1 2 7 m m 。 评定的目的是通过分析管线铺设阶段焊接接头处缺陷在承受静态铺设应力、动 态循环应力、残余应力等作用下，估计出基于D N V 远洋标准的无损检测条件 下可接受的( 或允许) 缺陷尺寸大小。依据B S 7 4 4 8 P a r t l 4 相应实验标准，通 过拉伸试验测定X 5 6 钢焊接接头的基本力学性能，得到了母材和焊缝金属的屈 服强度、抗拉强

8、度及焊缝金属的真应力应交关系曲线。通过测定) 【5 6 钢焊 接接头的6m R 和卜R 阻力曲线，得到了焊缝和热影响区的裂纹扩展极限值及 启裂韧度6o 2 、J 0 2 。通过对管线铺设过程中的受力情况进行分析，确定了最大 应力、残余应力分布以及三种典型错边量条件下的应力集中情况。将分析所得 结果作为已知参数数据输入所开发的软件，进行计算机辅助E C A 评估，从而得 到不同水深、不同缺陷类型、不同缺陷位置及不同错边量状态下焊接接头处缺 陷的允许尺寸。 此外，海底管线无论在铺设阶段还是在服役期间，都会受到流经管道内都 的液体、外表面海浪及海床紊流共同形成的涡流所引起的振动( V I V ) 载

9、荷作 用。该动载以海浪周期循环施加在管线上，成为引发管线焊接接头缺陷疲劳扩 展的驱动力。因此，通过分析v 载荷特性、合理选取疲劳裂纹扩展参数，再 结合断裂分析所得到的临界裂纹尺寸，利用所开发的疲劳评估软件即可获得不 同水深、不同跨距条件下，含表面缺陷及埋藏缺陷的焊接接头的疲劳扩展寿命。 关键词：焊接接头缺陷E C A 评估断裂韧性疲劳寿命阻力曲线 V I S U A LB A S I C 管线钢扩展速率载荷谱 摘要 A B S T R A C T W r e l d e ds t r u c t u r ei s w i d e l yu s e di nt h ef i e l d si m

10、 p o r t a n tt ot h e n a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e Sl i v e l i h o o d ，s u c h 够e n e r g ys o u r c e ， t r a n s p o r t a t i o n , b u i l d i n g c h e m i c a li n d u s t r y ，a n dS Oo n H o w e v e r ，豁a s p e c i a lm e t h o d ，w e l d i n gp r o c e s s i n gi so

11、f t e nc o m p a n i e dw i t ha l ls o r t so f d i s c o n t i n u o u sd e f e c t sa n ds h a p ei m p e r f e c t i o n so c c u r r i n gi nw e l d e d j o i n t T h o s ed e f e c t sa n dd e f o r m a t i o na r eu s e dt os h o w i n gs e n s i t i v i t yt ot h e a p p l i e dl o a d sa n

12、db e c o m i n gt h em o s td a n g e r o u sp o i n t st h a tc a u s i n g s t r e s sc o n c e n t r a t i o n , a c c e l e r a t i n gc r a c kp r o p a g a t i o n , e v e nl e a d i n gt o f a i l u r ew h e ns t r u c t u r e sa l ei ns e r v i c e T h e r e f o r e ，b a S e do nf l m e s sf

13、 o r p u r p o s ep r i n c i p a l ，t om a k ea no v e r a l la n a l y s i sa n da S s e s s m e n to n f r a c t u r ea n df a t i g u ep r o p e r t i e so f w e l d e d j o i n tw i t hf l a w s ，i tw i l ln o to n l y h e l pt oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oa v o

14、 i dt h eo c c u r r e n c eo f d e f e c t sa n dd e f o r m a t i o n 髂p o s s i b l e a n dt oe l l s u r et h ew h o l es t r u c t u r e r u n n i n gs a f e l ya n dr e l i a b l y , m o r e o v e r , i tw i l le v e nb eb e n e f i tf o r r e d u c i n gt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta

15、n de n h a n c i n gt h ee c o n o m i ca n ds o c i a l r e t u r n s F r a c t u r em e c h a n i c si so n eo fg r e a ta c h i e v e m e n t si ns o l i dm e c h a n i c s i n2 0 t hc e n t u r y I ti st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a S i sf o rs t r e n g t ht e s t i n g a n dl i

16、 f ep r e - e s t i m a t i o no ft h ee n g i n e e r i n gm a t e r i a la n dc o m p o n e n t B a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s t h e r ea r em a n yf r a c t u r ep a r a m e t e r ss u c h 醛 K t c ，知船w e l la s 艿I C , w h i c hh a v ea l r e a d yb e c o m ei m p o r t a n t c o n s

17、 t i t u e n t si ne n g i n e e r i n gm a t e r i a la n ds t r u c t u r ed e s i g ns t a n d a r d s A p p l y i n gt h ef r a c t u r em e c h a n i c st h e o r yt of a i l u r ea S s e s s m e n to f f l a w e d s t r u c t u r e , as u b - d i s c i p l i n eh a sb e e nf o r m e di ni n t

18、e r n a t i o n a l a n dm a n y w e l l - k n o w na s s e s s m e n tr e g u l a t i o na n dp r o f e s s i o n a ls t a n d a r d sa r eb e e n m a d e ，s u c h 雒A S M E ，B S IP 卜_ _ 6 4 9 3 ，W E S 2 8 0 5 ，R 6 ，S D m 蟑，D N V a n dS O o n 1 1 1 ed e v e l o p m e n to ff r a c t u r em e c h a n

19、 i c sh a sa c c e l e r a t e dt h ep r o c e s s t h a tt u m i n gf l a wa S s e s s m e n tl e v e li n t om o r es c i e n t i f i c B r i t i s hs t a n d a r d P D - 6 4 9 3p r o m u l g a t e di t sr e v i s e de d i t i o ni n2 0 0 0 ，a n dc h a n g e dt h ec o d e n u m b e ri n t oB $ 7 9

20、 1 0 ：1 9 9 9 I nt h i ss t a n d a r d , f a i l u r ea S s e s s m e n td i a g r a m ( F A D ) W a Su s e d 觞c r i t e r i o ni na S s e s s i n ge l a s t i c - p l a S t i cf r a c t u r eo ft h e m 天津大学博士学位论文 f l a w e ds 仇l c t u r e T h es t a n d a r dp r o v i d e s c o r r e s p o n d i n

21、 ga s s e s s m e n t m e t h o d so fs i n g l eo r m u l t i p l e s u r f a c ef l a w , e m b e d d e df l a wa n d t h r o u g h - t h i c k n e s sf l a wi nf o l l o w i n gs 缸1 l c t L l r e s s u c ha sp l a t e , c u r v e d s h e l l ，p i p ej u n c t i o n , r o u n db a r , b o l t , w

22、e l d e dj o i n ta n d S Oo n T h e r ea r e t h r e el e v e l so ff r a c t u r ea s s e s s m e n ti nt h i sg u i d e ，b u ts i m i l a rm e t h o d sa r e u s e di ne a c h T h ec h o i c eo fl e v e ld e p e n d so nt h em a t e r i a l si n v o l v e d ，t h e i n p u td a t aa v a i l a b l

23、ea n dt h ec o n s e r v a t i s mr e q u i r e d G e n e r a l l y , t h eh i g h e r a s s e s s m e n tl e v e lw a sa d o p t e d ，t h em o r em e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t aw a s r e q u i r e d ，a n d t h el e s sc o n s e r v a t i v e a s s e s s i n g r e s u l to b t a i n e d F

24、u r t h e r m o r e ，t w op r o c e d u r e sh a v eb e e ng i v e nt oa s s e s st h ea c c e p t a b i l i t y o ff l a w su n d e rf a t i g u el o a d s O n em e t h o di sb a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s a n a l y s i so fc r a c k sa n de s t i m a t et h ef a t i g u el i f eb yi

25、n t e g r a t i n gt h ec r a c k g r o w t hl a w , t h eo t h e rm e t h o di sd e s c r i b e da st h a tf l a w sa r ea s s e s s e db y c o m p a r i n gt h ea c t u a lS Nc u r v e st h ei d e a lS - Nc u r v e s f l a wc a l lb e a c c e p t a b l e i fi t sa c t u a lq u a l i t y c a t e g

26、o r yi se q u a lo rh i g h e rt h a nt h e r e q u i r e do n e I nt h i sp a p e r , B a s e d m a i n l yo nB S 7 9 1 0 ，w h i l eR 6a n dS I N T A Pw a r e t a k e n 鹤r e f e r e n c e s ，as e to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，w h i c h i n c l u d e st h r e ep a r

27、t s ，w h i c ha r ef l a wr e - c h a r a c t e r , p l a n a rf l a wa s s e s s m e n t ( f r a c t u r ea n df a t i g u ee n g i n e e r i n gc r i t i c a la s s e s s m e n tf o rf l a w e ds t r u c t u r e ) a n dn o n - p l a n a rf l a wa s s e s s m e n t , W a sd e v e l o p e db yc h o

28、o s i n gs o f t w a r e t o o lV I S U A LB A S I C6 0a n ds o m ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s T h es o R C a nb eu s e di nf r a c t u r ea n df a t i g u ea s s e s s m e n ti ns t r u c t u r e s ，s u c ha sp l a t e ， p i p el i n e ，w e l d e dj o i n ta n dr o u n db a r , w i

29、 t hs i n g l eo rm u l t i p l ef l a w s ( c o p l a n a ro rn o n c o p l a n a rs u r f a c e f l a w , e m b e d d e df l a wa n dv o l u m e f l a w s ) l y i n gi n I n f r a c t u r e a s s e s s m e n t , t h es o f t c o v e r st h et h r e e a s s e s s m e n tl e v e l s ，t h e ya r es i

30、 m p l i f i e da s s e s s m e n t , n o r m a la s s e s s m e n t a n dd u c t i l et e a r i n ga s s e s s m e n tp r o c e d u r e A f t e rd e b u g g e dt or u n s m o o t h l y , t h es o f t w a r ew a se x a m i n e da n d t h ed e v i a t i o ni sl e s st h a n0 1 c o m p a r e dt ot h e

31、r e s u l t so fD N VS ot h ed e v e l o p e ds o f t w a r eh a s d o m i n a n c en o to n l yi np r a c t i c a b i l i t ya n de x t e n s i v eu s e ，b u tb e a u t i f u la n d f r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n B yd e v e l o p e d

32、s o f h v a r e ，f r a c t u r ea s s e s s m e n tW a sc o n d u c t e do nb a l l s o c k e ta x i sw h i c hh a de x p e r i e n c e dn o r m a l i z eh e a tt r e a t m e n ta n dW a s 摘要 s u b j e c t i n gt o1 2 8t o n sl o a d D u et ol i m i t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，l e v

33、 e l 2 Aw a sc h o s e na sc r i t e r i ao fe v a l u a t i o na n dK I Ca sa s s e s s m e n t p a r a m e t e r M e m b r a n es t r e s sa n db e n d i n gs t r e s so nf r a c t u r ep l a n ew a s c a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o R w a r eA N S Y S w h i c hp o

34、s s e s s e s s t r u c t u r ea n dt h e r m a l a n a l y s i sf u n c t i o n T h r o u g ha s s e s s m e n to f s e m i e l l i p t i cs u r f a c ec r a c ka n dc i r c u m f e r e n t i a ls u r f a c ec r a c k , i ti n d i c a t e s m a tt h ed e e p n e s so fc r a c ka n dt h eh e a tt r

35、e a t m e n tr e s i d u a ls t r e s sa r em a i n c a u s e st h a tl e a dt h eb a l ls o c k e ta x i st oc o l l a p s e F r o mt h er e s u l t so f a s s e s s m e n t , w ec a ns e et h a tt h ee x t r e m ed e e p n e s sd i m e n s i o no f s e m i - e l l i p t i cs u r f a c ec r a c ki

36、s0 7 l m ma n dt h ec i r c u m f e r e n t i a ls u r f a c e c r a c k Si s0 2 5 m m T h eo f f s h o r ep i p e l i n ei sa ，t y p i c a lw e l d e ds t r u c t u r e ，d e f e c t sa n d d e f o r m a t i o nW a Sp r o d u c e di n e v i t a b l yd u r i n gi n s t a l l a t i o no ri ns e r v i

37、c e B e c a u s et h ep i p e l i n e sa r eo f t e nw o r k i n gi nf o r m i d a b l en a t u r a lc o n d i t i o n s ( a t m o s p h e r i cc o r r o s i o n ， s e aw a t e rc o r r o s i o n ) a n d s e r v i n g u n d e r c o m p l i c a t e da p p l i e dl o a d s ( s t a t i cf o r c ei n c

38、l u d i n gg r a v i t ya n dv a r i o u s p r e s s u r e d y n a m i c 1 0 a d sc o n s i s t e do fm e c h a n i c a l s h a k i n ga n ds e a c o l l i s i o n , e v e r lu n p r e d i c t a b l ea p p l i e dl o a d s ) c o r r o s i v ee n v i r o n m e n ta n d c o m p o u n ds t r e s sa c c

39、 e l e r a t et h ep r o p a g a t i o ns p e e do fc r a c kt h a te x i s t i n g i nw e l d e di o i n t O n c et h ew e l d e ds t r u c t u r ec o l l a p s e do rl e a k e do u t ， c a t a s t r o p h ee c o n o m i cl o s sa n ds e r i o u sc o n t a m i n a t i o na c c i d e n tw i l lb e i

40、 n d u c e di n e v i t a b l y S ot h ec o r r e c te v a l u a t i o nt ot h i sk i n do fw e l d i n g s t r u c t u r e s e c u r i t yi sn o to n l yi m p o r t a n tb u te x t r e m e l ye s s e n t i a l T od e t e r m i n et h ep e r m i s s i b l ef l a wd i m e n s i o na c c o r d i n gt

41、ot h e n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n ga c e e D t a n c ec r i t e r i as p e c i f i e di nt h eD N V O f f s h o r eS t a n d a r d S u b m a r i n ep i p e l i n es y s t e m s ”，a ne n g i n e e r i n gc r i t i c a l a s s e s s m e n t ( E C A ) o ni n s t a l l a t i o no fg a so f

42、 f s h o r ep i p e l i n et h a te n d u r e s t a t i cs t r e s s ，d y n a m i cc i r c l es t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s se r e ，f r o mL u S h u n t oD a - L i a ni nC h i n e s eB o - h a lS e ag u l f , w a sa n a l y z e da n da s s e s s e db y d u c t i l et e a r i n ga s s e s

43、s m e n tp r o c e d u r eo fd e v e l o p e ds o f t w a r ei nt h i sp a p e r T h ei n s t a l l a t i o nd i s t a n c ei sa b o u t5 9 2k i l o m e t e rl o n g , t h ed e e p e s t s e a w a t e ri sa b o u t3 3m e t e r ，t h em a t e r i a lo ft h e p i p e l i n ei s s t e e l A P I - 5 L X

44、5 6 t h eo u t e rd i a m e t e ri s3 2 4m i l l i m e t e r , a n dt h ew a l lt h i c k n e s s i s1 2 7m i l l i m e t e r T h r o u g ht e n s i l et e s t m e c h a n i c sp r o p e r t i e so fw e l d e d V 天津大学博士学位论文 j o i n to fX 5 6s t e e lw e r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt e n s i

45、 l es t r e n g t ha n dy i e l d s t r e n g t ho fp a r e n tm a t e r i a la n dw e l d , a sw e l lac o m p l e t ee n g i n e e r i n g s t r e s s - - s t r a i nc u r v eo fw e l dw a sd r a w n F r a c t u r et o u g h n e s s60 2 、J o ao f h e a t - a f f e c t e dz o n ea n dw e l da r eg

46、a i n e db ym e a s u r i n g 子_ Ra n dH t r e s i s t i v ec u r v eo fX 5 6s t e e lw e l d e di o i n t T h em a x i m u ms t r e s s ，t h e d i s t r i b u t i o no f r e s i d u a ls t r e s sa n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h r e et y p i c a l m i s a l i g n m e n t sa r ed

47、 e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h ea p p l i e ds t r e s s e so f p i t d i n ei n s t a l l a t i o n 哪! e t e s tr e s u l t sa n da n a l y s i sc o n c l u s i o n s a r e r e g a r d e da sp a r a m e t e rd a t aa n di n p u t t e di n t os o f t w a r et od e t e r m i n et h e t o l

48、 e r a b l ef l a wd i m e n s i o n si nw e l d e dj o i n to nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t w a t e rd e p t h , f l a wt y p e sa n dm i s a l i g n m e n t s C o n s i d e r i n gt h eO f f s h o r ep i p e l i n em a yb es u b j e c t e dt ov o r t e xi n d u c e v i b r a t i o

49、n ( v i v ) ，c a u s e db ys u r f a c ew a v e s ，t u r b u l e n c ea tt h es e a b e da n d t h ec u r r e n tf l o w i n go v e rt h ep i p e l i n ed u r i n gb o t ht h es t a g eo fi n s t a l l a t i o n a n di ns e r v i c e 1 1 1 ef a t i g u e - c r a c kw o u l db ep r o p a g a t e dw h e nP i p e l i n e e x p o s e dt oV I Vd y n a m i cl o a dw i t ht h eo c e a n sc y c l i cp e r i o d H e n c e f a t i g u el i f eo fs u r f a c ef l a wa n de m b e d d e df l a wi nw e l d e di o i n tw i l lb e p r e e s t i m a t e do nt h ec o n d i t i o n