管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，包括以下步驟：S1，試驗(yàn)測定不同厚度試樣的斷裂韌性；S2，采用線性擬合建立斷裂韌性KC隨試樣厚度B變化的線性關(guān)系式；S3，基于裂紋尖端塑性區(qū)尺寸與試樣厚度的比例關(guān)系，建立平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性KC與試樣壁厚B的關(guān)系表達(dá)式；S4，根據(jù)步驟S2中建立的KC-B線性關(guān)系式和步驟S3中建立的平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性KC與試樣壁厚B關(guān)系式，計(jì)算平面應(yīng)變斷裂韌性KIC和臨界壁厚BS。本發(fā)明通過小壁厚試樣斷裂韌性試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算材料平面應(yīng)變狀態(tài)的斷裂韌性KIC，從而避免巨型式樣和高噸位試驗(yàn)機(jī)的巨大耗費(fèi)。
【專利說明】管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及管道設(shè)計(jì)與完整性評估【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國管道建設(shè)朝著高鋼級、大口徑、厚壁化的方向發(fā)展，西氣東輸二線干線已經(jīng)采用了 X80管線鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)到555MPa以上，最高壁厚達(dá)到了 26.4mm，彎管、管件的厚度甚至超過50mm，X900.X100管線鋼的應(yīng)用研究和試驗(yàn)段建設(shè)已在開展。由于材料強(qiáng)度越高，斷裂敏感性增加，同時(shí)隨著管材壁厚的增加，現(xiàn)在大規(guī)模應(yīng)用的高鋼級管線鋼斷裂韌性是否達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)，對管道安全運(yùn)行是否會帶來重要的影響，已經(jīng)受到業(yè)界專家的關(guān)注。
[0003]鋼管壁厚對裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)影響很大。當(dāng)壁厚由薄向厚轉(zhuǎn)變時(shí)，管體裂紋尖端的應(yīng)力場逐漸由平面應(yīng)力轉(zhuǎn)向平面應(yīng)變狀態(tài)，裂紋尖端常處于三向受拉狀態(tài)，對應(yīng)變的約束高，塑性發(fā)展受到限制，使材料容易產(chǎn)生“脆化”的趨勢，從而導(dǎo)致脆性破壞的發(fā)生。
[0004]當(dāng)試樣厚度較小時(shí)，試樣裂紋尖端處于平面應(yīng)力狀態(tài)。隨著試樣厚度的增加，平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)過渡。在試樣厚度超過一個(gè)臨界厚度之后，材料將完全處于平面應(yīng)變狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，較薄的試樣具有較大的斷裂韌度，隨著試樣厚度的增加，材料的斷裂韌度將逐漸減小，最終趨于一個(gè)恒定的較低極限值。已有的研究結(jié)果表明，足夠厚度的試樣在完全出于平面應(yīng)變狀態(tài)的條件下，材料的斷裂韌度將不再隨著厚度變化，而是表現(xiàn)為一個(gè)恒定的常數(shù)，這個(gè)常數(shù)就是材料的平面應(yīng)變斷裂韌度，它代表著材料斷裂韌度的下限，這個(gè)平面應(yīng)力狀態(tài)到平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界壁厚即為工程安全臨界壁厚。斷裂韌性試樣及斷裂韌性值隨壁厚變化見圖1和圖2所示。
[0005]目前，平面應(yīng)變斷裂韌度Krc在材料的斷裂控制方面已得到廣泛應(yīng)用，但Kk測試要求試樣尺寸滿足平面應(yīng)變或小應(yīng)變條件。對于X80管線鋼等延性金屬來說，要達(dá)到這些條件就需要巨型試樣和高噸位的試驗(yàn)機(jī)，耗費(fèi)很大。
[0006]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:本領(lǐng)域還沒有一套完整的評估管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法。所述技術(shù)方案如下:
[0008]提供了一種管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，所述方法基于較小厚度的試樣對平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的估算，所述方法包括以下步驟:
[0009]SI，試驗(yàn)測定不同厚度試樣的斷裂韌性，其中，試樣厚度設(shè)定為B，斷裂韌性設(shè)定為Kc;[0010]S2，采用線性擬合建立斷裂韌性K。隨試樣厚度B變化的線性關(guān)系式；
[0011]S3，基于裂紋尖端塑性區(qū)尺寸與試樣厚度的比例關(guān)系，建立平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性K。與試樣壁厚B的關(guān)系表達(dá)式；
[0012]S4，根據(jù)步驟S2中建立的Ke-B線性關(guān)系式和步驟S3中建立的平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性K。與試樣壁厚B關(guān)系式，計(jì)算平面應(yīng)變斷裂韌性Krc和臨界壁厚Bs。
[0013]進(jìn)一步地，步驟SI中所述的不同厚度試樣是指按照斷裂韌性測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的比例加工的試樣，包括三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。
[0014]進(jìn)一步地，步驟S2中建立的所述Kc-B線性關(guān)系式是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0015]S21，將步驟SI中試驗(yàn)測定的斷裂韌性K。值，按對應(yīng)的試樣厚度B由小到大排列；
[0016]522，取1(。的最大值，記為Kmax，其對應(yīng)壁厚為B。；
[0017]S23，取壁厚B大于或者等于Btl的試樣數(shù)據(jù)，采用線性擬合，建立K^B線性關(guān)系式如下:
[0018]Kc = aXB+c (I)
[0019]式(I)中，a、b為待定系數(shù)。
[0020]進(jìn)一步地，步驟S3中所述的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸為平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋面的塑性區(qū)半徑，平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋面的塑性區(qū)半徑與試樣厚度的比值小于某一定值X時(shí)，認(rèn)定試樣達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)；
[0021]平面應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋尖端塑性區(qū)半徑為:
【權(quán)利要求】
1.一種管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，所述方法基于較小厚度的試樣對平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的估算，其特征在于，所述方法包括以下步驟: SI，試驗(yàn)測定不同厚度試樣的斷裂韌性，其中，試樣厚度設(shè)定為B，斷裂韌性設(shè)定為K。； S2，采用線性擬合建立斷裂韌性K。隨試樣厚度B變化的線性關(guān)系式； S3，基于裂紋尖端塑性區(qū)尺寸與試樣厚度的比例關(guān)系，建立平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性K。與試樣壁厚B的關(guān)系表達(dá)式； S4，根據(jù)步驟S2中建立的&-B線性關(guān)系式和步驟S3中建立的平面應(yīng)變狀態(tài)下斷裂韌性K。與試樣壁厚B關(guān)系式，計(jì)算平面應(yīng)變斷裂韌性Kk和臨界壁厚Bs。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特征在于，步驟SI中所述的不同厚度試樣是指按照斷裂韌性測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的比例加工的試樣，包括三點(diǎn)彎曲試樣和緊湊拉伸試樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特征在于，步驟S2中建立的所述&-B線性關(guān)系式是按照以下步驟進(jìn)行的: S21，將步驟SI中試驗(yàn)測定的斷裂韌性K。值，按對應(yīng)的試樣厚度B由小到大排列； S22，取K。的最大值，記為Kmax,其對應(yīng)壁厚為Btl ； S23，取壁厚B大于或者等于Btl的試樣數(shù)據(jù)，采用線性擬合，建立&-B線性關(guān)系式如下: Kc = a X B+c (I) 式(I)中，a、b為待定系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特征在于，步驟S3中所述的裂紋尖端塑性區(qū)尺寸為平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋面的塑性區(qū)半徑，平面應(yīng)力狀態(tài)下裂紋面的塑性區(qū)半徑與試樣厚度的比值小于某一定值X時(shí)，認(rèn)定試樣達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài)； 平面應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋尖端塑性區(qū)半徑為:
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管線鋼平面應(yīng)變斷裂韌性和安全臨界壁厚的確定方法，其特征在于，步驟S4中所述的平面應(yīng)變斷裂韌性Krc和所述的臨界壁厚Bs的計(jì)算是: 將式(I)和式(3)聯(lián)立求解，所解得的K。即為平面應(yīng)變斷裂韌性Krc，所解得的B即為臨界壁厚Bs。
【文檔編號】G01N3/00GK103926136SQ201310008460
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月10日
【發(fā)明者】趙新偉, 張華 , 王亞龍, 李娜 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所