CN103926136A - 管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，包括以下步骤：S1，试验测定不同厚度试样的断裂韧性；S2，采用线性拟合建立断裂韧性K_C随试样厚度B变化的线性关系式；S3，基于裂纹尖端塑性区尺寸与试样厚度的比例关系，建立平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式；S4，根据步骤S2中建立的K_C-B线性关系式和步骤S3中建立的平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B关系式，计算平面应变断裂韧性K_IC和临界壁厚B_S。本发明通过小壁厚试样断裂韧性试验结果计算材料平面应变状态的断裂韧性K_IC，从而避免巨型式样和高吨位试验机的巨大耗费。

Description

管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法

技术领域

本发明涉及管道设计与完整性评估技术领域，特别涉及一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法。

背景技术

近年来，我国管道建设朝着高钢级、大口径、厚壁化的方向发展，西气东输二线干线已经采用了X80管线钢，屈服强度达到555MPa以上，最高壁厚达到了26.4mm，弯管、管件的厚度甚至超过50mm，X900、X100管线钢的应用研究和试验段建设已在开展。由于材料强度越高，断裂敏感性增加，同时随着管材壁厚的增加，现在大规模应用的高钢级管线钢断裂韧性是否达到平面应变状态，对管道安全运行是否会带来重要的影响，已经受到业界专家的关注。

钢管壁厚对裂纹尖端的应力应变状态影响很大。当壁厚由薄向厚转变时，管体裂纹尖端的应力场逐渐由平面应力转向平面应变状态，裂纹尖端常处于三向受拉状态，对应变的约束高，塑性发展受到限制，使材料容易产生“脆化”的趋势，从而导致脆性破坏的发生。

当试样厚度较小时，试样裂纹尖端处于平面应力状态。随着试样厚度的增加，平面应力状态向平面应变状态过渡。在试样厚度超过一个临界厚度之后，材料将完全处于平面应变状态。试验结果表明，在一定范围内，较薄的试样具有较大的断裂韧度，随着试样厚度的增加，材料的断裂韧度将逐渐减小，最终趋于一个恒定的较低极限值。已有的研究结果表明，足够厚度的试样在完全出于平面应变状态的条件下，材料的断裂韧度将不再随着厚度变化，而是表现为一个恒定的常数，这个常数就是材料的平面应变断裂韧度，它代表着材料断裂韧度的下限，这个平面应力状态到平面应变状态转变的临界壁厚即为工程安全临界壁厚。断裂韧性试样及断裂韧性值随壁厚变化见图1和图2所示。

目前，平面应变断裂韧度K_IC在材料的断裂控制方面已得到广泛应用，但K_IC测试要求试样尺寸满足平面应变或小应变条件。对于X80管线钢等延性金属来说，要达到这些条件就需要巨型试样和高吨位的试验机，耗费很大。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：本领域还没有一套完整的评估管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的方法。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法。所述技术方案如下：

提供了一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，所述方法基于较小厚度的试样对平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的估算，所述方法包括以下步骤：

S1，试验测定不同厚度试样的断裂韧性，其中，试样厚度设定为B，断裂韧性设定为K_C；

S2，采用线性拟合建立断裂韧性K_C随试样厚度B变化的线性关系式；

S3，基于裂纹尖端塑性区尺寸与试样厚度的比例关系，建立平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式；

S4，根据步骤S2中建立的K_C-B线性关系式和步骤S3中建立的平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B关系式，计算平面应变断裂韧性K_IC和临界壁厚B_S。

进一步地，步骤S1中所述的不同厚度试样是指按照断裂韧性测试标准规定的比例加工的试样，包括三点弯曲试样和紧凑拉伸试样。

进一步地，步骤S2中建立的所述K_C-B线性关系式是按照以下步骤进行的：

S21，将步骤S1中试验测定的断裂韧性K_C值，按对应的试样厚度B由小到大排列；

S22，取K_C的最大值，记为K_max，其对应壁厚为B₀；

S23，取壁厚B大于或者等于B₀的试样数据，采用线性拟合，建立K_C-B线性关系式如下：

K_C＝a×B+c（1）

式（1）中，a、b为待定系数。

进一步地，步骤S3中所述的裂纹尖端塑性区尺寸为平面应力状态下裂纹面的塑性区半径，平面应力状态下裂纹面的塑性区半径与试样厚度的比值小于某一定值x时，认定试样达到平面应变状态；

平面应力状态下的裂纹尖端塑性区半径为：

$r_p=\frac{{K_C}^2}{{{2\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}---\left(2\right)$

将r_p/B＝x代入式（2），则平面应变状态下断裂韧性与试样厚度的关系式为：

$B=\frac{\frac{{K_C}^2}{{{2\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}}{x}---\left(3\right)$

式（3）即为平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式，式（3）中，定值x可以参考本领域文献或者通过试验测得。

进一步地，步骤S4中所述的平面应变断裂韧性K_IC和所述的临界壁厚B_S的计算是：

将式（1）和式（3）联立求解，所解得的K_C即为平面应变断裂韧性K_IC，所解得的B即为临界壁厚B_S。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过小壁厚试样断裂韧性试验结果计算材料平面应变状态的断裂韧性K_IC，从而避免巨型式样和高吨位试验机的巨大耗费。该确定方法可为结构设计和完整性评价提供基础数据和技术支持，对于保证结构安全可靠运行具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的确定方法中采用的断裂韧性试样示意图；

图2是本发明实施例提供的确定方法中断裂韧性随试样壁厚变化示意图；

图3是本发明实施例提供的确定方法中不同试样厚度B试样的断裂韧性K_C试验结果图；

图4是本发明实施例提供的确定方法中B大于等于B₀的试样数据及线性拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，结合参考图1至图4，该方法基于较小厚度的试样对平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的估算，包括以下步骤：

S1，试验测定不同厚度试样的断裂韧性，其中，试样厚度设定为B，断裂韧性设定为K_C。试样厚度B与断裂韧性K_C的分布关系参考图3。步骤S1中试验时采用的不同厚度试样是指按照断裂韧性测试标准规定的比例加工的试样，包括三点弯曲试样和紧凑拉伸试样。

S2，采用线性拟合建立断裂韧性K_C随试样厚度B变化的线性关系式。

步骤S2中建立的K_C-B线性关系式是按照以下步骤进行的：

S21，将步骤S1中试验测定的断裂韧性K_C值，按对应的试样厚度B由小到大排列。

S22，取K_C的最大值，记为K_max，其对应壁厚为B₀。结合参考图2和图3，图3中K_max为67.28MPam^1/2，对应壁厚B₀为18mm。

S23，取壁厚B大于以及等于B₀的试样数据，做K_C-B散点图，试验数据中，壁厚大于及等于B₀的试样厚度有18mm、20mm、22mm、25mm，采用线性拟合，建立K_C-B线性关系式如下：

K_C＝a×B+c（1）

式（1）中，待定系数a为0.563，b为76.82，拟合后的关系曲线参考图4。

S3，基于裂纹尖端塑性区尺寸与试样厚度的比例关系，建立平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式.

步骤S3中所述的裂纹尖端塑性区尺寸为平面应力状态下裂纹面的塑性区半径，平面应力状态下裂纹面的塑性区半径与试样厚度的比值小于某一定值x时，即r_p/B小于定值x时，认定试样达到平面应变状态。

平面应力状态下的裂纹尖端塑性区半径为：

$r_p=\frac{{K_C}^2}{{{2\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}---\left(2\right)$

将r_p/B＝x代入式（2），以裂纹尖端塑性区尺寸与试样厚度的比值小于0.025作为X80管线钢达到平面应变状态的判据，将r_p/B＝0.025代入式（2）中，则平面应变状态下断裂韧性与试样厚度的关系式为：

$B=6.4\frac{{K_C}^2}{{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}---\left(4\right)$

S4，根据步骤S2中建立的K_C-B线性关系式和步骤S3中建立的平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B关系式，计算平面应变断裂韧性K_IC和临界壁厚B_S。即将式（1）和式（4）联立求解，所解得的K_C即为平面应变断裂韧性K_IC，所解得的B即为临界壁厚B_S。

将屈服强度σ_ys为556Mpa代入式（4）中，联立求解得：K_IC=48.3MPam^1/2，B_S=50.7mm。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，所述方法基于较小厚度的试样对平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的估算，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，试验测定不同厚度试样的断裂韧性，其中，试样厚度设定为B，断裂韧性设定为K_C；

S2，采用线性拟合建立断裂韧性K_C随试样厚度B变化的线性关系式；

S3，基于裂纹尖端塑性区尺寸与试样厚度的比例关系，建立平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式；

S4，根据步骤S2中建立的K_C-B线性关系式和步骤S3中建立的平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B关系式，计算平面应变断裂韧性K_IC和临界壁厚B_S。

2.根据权利要求1所述的管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，其特征在于，步骤S1中所述的不同厚度试样是指按照断裂韧性测试标准规定的比例加工的试样，包括三点弯曲试样和紧凑拉伸试样。

3.根据权利要求2所述的管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，其特征在于，步骤S2中建立的所述K_C-B线性关系式是按照以下步骤进行的：

S21，将步骤S1中试验测定的断裂韧性K_C值，按对应的试样厚度B由小到大排列；

S22，取K_C的最大值，记为K_max，其对应壁厚为B₀；

S23，取壁厚B大于或者等于B₀的试样数据，采用线性拟合，建立K_C-B线性关系式如下：

K_C＝a×B+c（1）

式（1）中，a、b为待定系数。

4.根据权利要求3所述的管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，其特征在于，步骤S3中所述的裂纹尖端塑性区尺寸为平面应力状态下裂纹面的塑性区半径，平面应力状态下裂纹面的塑性区半径与试样厚度的比值小于某一定值x时，认定试样达到平面应变状态；

平面应力状态下的裂纹尖端塑性区半径为：

$r_p=\frac{{K_C}^2}{{{2\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}---\left(2\right)$

将r_p/B＝x代入式（2），则平面应变状态下断裂韧性与试样厚度的关系式为：

$B=\frac{\frac{{K_C}^2}{{{2\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{ys}}}^2}}{x}---\left(3\right)$

式（3）即为平面应变状态下断裂韧性K_C与试样壁厚B的关系表达式，式（3）中，定值x可以参考本领域文献或者通过试验测得。

5.根据权利要求4所述的管线钢平面应变断裂韧性和安全临界壁厚的确定方法，其特征在于，步骤S4中所述的平面应变断裂韧性K_IC和所述的临界壁厚B_S的计算是：

将式（1）和式（3）联立求解，所解得的K_C即为平面应变断裂韧性K_IC，所解得的B即为临界壁厚B_S。