CN112836307B - 一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用 - Google Patents

一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用，该方法包括以下步骤：通过有限元模拟进行不同尺寸预制缺口小冲杆试样模型与结果分析，得到最优的预制缺口尺寸与试样厚度；开展含有最优预制缺口尺寸的管线钢小冲杆试样试验得到小冲杆试验的载荷‑位移曲线，并确定临界断裂韧性Jc(SP)；开展试样三点弯试验得到断裂韧性Jc值；将临界断裂韧性Jc(SP)与材料断裂韧性Jc值进行关联，引入参数k和J0，建立小冲杆试验与试样三点弯试验得到的断裂韧性方程，即：JC＝kJC(SP)+J0。本发明建立了贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，提出了最佳缺口与试样尺寸，适合用于材料断裂韧性的测试，可以很好地测试在服役管线钢的断裂韧性。

Description

一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用
技术领域
本发明涉及材料测试技术领域，具体而言，涉及一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用。
背景技术
近年来，我国能源需求不断增加，油气管道作为能源运输的基础，其服役时的安全性愈发受到国家和政府的关注。油气管道长期在高温、高压及腐蚀性等环境中服役，会无法避免的出现性能劣化、损伤、裂纹乃至失效，如长期服役管道中的过热氧化、开裂、腐蚀等现象。管道在上述情况极易发生泄露，使其结构完整性和工作性能受到影响。断裂韧性是评价管线钢结构安全性能的一个重要指标，能够表征材料受到外部载荷作用时抵抗开裂和裂纹扩展的能力。J积分作为弹塑性断裂理论中的断裂韧性表征参数，其标准化测试通常基于三点弯试验或紧凑拉伸试验(Compact tensile，CT)实现，然而这些试验中使用的试样尺寸较大，试样尺寸与管壁厚尺寸接近，往往需要对在役管道进行破坏性取样才能够得到管道断裂韧性参数，造成油气运输停工，带来巨大的经济损失。因此，亟待找到一种基于无损或微损试样的不破坏管道完整性的断裂韧性测试方法。
小冲杆试验(Small Punch Test，SPT)作为一种微损测试技术，兴起于20世纪80年代。试验通过冲杆以一定速度通过钢珠来冲压试样薄片，传感器记录冲头在试验过程中的载荷和位移，以此分析得到材料的力学性能参数。目前采用小冲杆试验获得材料断裂韧度的方法主要有经验关联法、应变能密度法、小冲杆能量法、反向有限元法和直接计算法等。
现有技术手段主要缺点有两点。一是利用传统的断裂韧性评价试验对管线钢进行评定，其标准化测试通常基于三点弯试验或紧凑拉伸试验，试验中使用的试样尺寸与管壁厚接近，往往需要对管道进行破坏性取样；二是在使用小冲杆试验评价材料断裂韧性的方法中，由于不同种类开缺口试样几何形状及应力状态存在较大差异，最终得到的断裂韧度值也不尽相同，尚未形成系统的通过小冲杆试样得到材料断裂韧性的方法。
目前，在评估石油化工行业在役设备材料性能劣化方面尚无一种可行的微损检测方法，在保证不破坏在役设备的前提下取样进行评估检测；同时，尚未形成系统的通过小冲杆试样得到材料断裂韧性的方法，尤其是针对正在服役的管线钢，如X65、X70，以及X80、X100高钢级管道材料的试验方法。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明提供了一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用。本发明采用贯穿型预制缺口小冲杆试样并使用该种试样获取在役管线钢断裂韧性的微损评价方法，建立贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，通过数值模拟最终确定将试验试样缺口偏移距离范围定为l∈[1.10,1.20]±0.01mm，适合用于材料断裂韧性的测试，可以很好的测试在服役管线钢的断裂韧性。
第一方面，一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法，其包括以下步骤：S1:利用有限元软件建立含有GTN损伤参数的小冲杆试验模型，通过对比试验和模拟结果的载荷-位移曲线，验证有限元模型的正确性和有效性；S2:通过验证的有限元模型进行不同尺寸预制缺口小冲杆试样模拟与结果分析，得到最优的预制缺口尺寸与试样厚度；S3:开展含有最优预制缺口尺寸的管线钢小冲杆试样试验得到小冲杆试验的载荷-位移曲线，并确定临界断裂韧性Jc(SP)；开展试样三点弯试验得到断裂韧性Jc值；S4:将临界断裂韧性Jc(SP)与材料断裂韧性Jc值进行关联，引入常数k，建立小冲杆试验与试样三点弯试验得到的断裂韧性方程，即：JC＝kJC(SP)+J0；S5:通过含有预制缺口的小冲杆试样、断裂韧性方程、以及与试验载荷位移吻合的有限元模型，得到待测管线钢的断裂韧性Jc值。
于本发明的一种实施方式中，在步骤S1中，所述建立含有GTN损伤参数的小冲杆试验模型，所选用的GTN损伤模型的屈服函数可以表示为：
式中，Req为宏观Mises等效应力；ReL为基体材料的屈服强度；RH为宏观静水应力；q1、q2、q3为损伤参数。通过数值计算分析及文献中给出的损伤参数常用取值为ql＝1.5，q2＝l，q3＝q1 2。f*为孔洞的体积分数。
于本发明的一种实施方式中，在步骤S2中，所述小冲杆试样的预制缺口偏移距离范围为l∈[1.10,1.20]±0.01mm。
于本发明的一种实施方式中，在步骤S3中，采用预制缺口尺寸的管线钢小冲杆试样数值模拟围线积分法确定临界断裂韧性Jc(SP)。
于本发明的一种实施方式中，所述小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法还包括以下步骤：计算不同强度的管线钢的的J积分值，得到各个管线钢的Jc(SP)和Jc值，再对不同管线钢进行线性拟合，得到比例关系：
JC＝kJC(SP)+J0
其中，斜率k＝2.1603，J0＝-479.8872。
第二方面，本发明提供如上述所述小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法在化工设备、核电设备或能源设备上的应用。
综上所述，本发明提供一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法及其应用，本发明的有益效果是：
本发明对服役构件进行微损取样，所得结果具有较高的精度，能够定量评价材料的断裂韧性。特别适用于在服役管道的断裂韧性评价，比如在服役的X80管线钢厚壁石油管道的断裂韧性评价。
进一步地，本发明建立了贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，通过数值模拟最终确定将试验试样缺口偏移距离定为l∈[1.10,1.20]±0.01mm，适合用于材料断裂韧性的测试，尤其是可以很好的测试在服役管线钢的断裂韧性。
更进一步的，本发明通过围线积分法得到小冲杆试验的J积分曲线，根据数值模拟结果判断起裂位移获得临界断裂韧性Jc(SP)，同时进行标准三点弯试样试验得到材料Jc值，再通过系数k建立二者的关联模型，然后进行线性拟合，建立使用贯穿型缺口小冲杆试样获得管线钢断裂韧性的方法。
附图说明
图1为本发明的一实施例提供的小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法的流程图。
图2为X80管线钢真实应力-应变曲线及拟合曲线。
图3为贯穿型预制缺口试样示意图。
图4为贯穿型预制缺口小冲杆试样网格图。
图5为在不同的缺口偏移距离条件下，贯穿型预制缺口小冲杆试样试验载荷-位移曲线。
图6为贯穿型预制缺口小冲杆试样试验与数值模拟载荷-位移对比曲线。
图7为小冲杆试样试验装置结构示意图。
图8为图7中A处放大图。
图9为各类管线钢断裂韧性值关联拟合线。
其中，1、冲杆；2、上夹具；3、下夹具；4、试样。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明提供一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法，其包括以下步骤：
S1：利用有限元软件建立含有GTN(力学损伤模型)损伤参数的小冲杆试验模型，通过对比试验和模拟结果的载荷-位移曲线。
具体的，在步骤S1中，建立含有GTN损伤参数的小冲杆试验模型，所选用的GTN损伤模型的屈服函数可以表示为：
式中，Req为宏观Mises等效应力；ReL为基体材料的屈服强度；RH为宏观静水应力；q1、q2、q3为损伤参数。通过数值计算分析及文献中给出的损伤参数常用取值为ql＝1.5，q2＝l，q3＝q1 2。f*为孔洞的体积分数。
如图2所示，通过对比试验和模拟结果的载荷-位移曲线，验证有限元模型的正确性和有效性，进一步的可以通过该有限元模型确定预制裂纹的范围。如图6所示，将常规小冲杆试验与有限元模拟进行对比，曲线重合度较高。由此可以判断小冲杆试样的有限元模拟具有较高的可靠性，相关参数可用于后续贯穿型缺口试样断裂韧性的确定。
S2：通过验证的有限元模型进行不同尺寸预制缺口小冲杆试样模拟与结果分析，得到最优的预制缺口尺寸与试样厚度。
在步骤S2中，如图3所示，设计一种贯穿型缺口试样。如图4所示，建立贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，通过数值模拟观察试样开裂情况，最终确定将试验试样缺口偏移距离定范围为l∈[1.10,1.20]±0.01mm，适合用于材料断裂韧性的测试。
具体来讲，建立贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，逆向求解法确定贯穿型缺口小冲杆试样的尺寸规范具体包括：从常规SPT试样一端向试样中心进行切割，保持缺口宽度及缺口尖端半径恒定r为100μm(使用此种直径的线切割方法进行缺口制备)，直径R为10mm，打磨试样厚度t为0.5mm，改变缺口尖端处的圆心与试样圆心的间距来确定最佳尺寸。如图5所示，确定当缺口尖端距离1.0mm时试样沿预制缺口处开裂，同时裂纹扩展距离最长，适合用于材料断裂韧性的测试。
S3：开展含有最优预制缺口尺寸的管线钢小冲杆试样试验，得到小冲杆试验的载荷-位移曲线，并确定临界断裂韧性Jc(SP)；开展试样三点弯试验得到断裂韧性Jc值。
在步骤S3中，采用小冲杆试样试验装置进行管线钢小冲杆试样试验获得小冲杆试验的载荷-位移曲线。图7为小冲杆试样试验装置结构示意图，图8为图7中A处放大图，如图7、8所示，小冲杆试样试验装置包括壳体、上夹具2、下夹具3和冲杆1，上夹具2与下夹具3设置于壳体内，下夹具3设置于试样4的下部，上夹具1设置于试样4的上部，冲杆1设置于上夹具内，冲杆1的头部为半球形，半径r＝1.25mm；上夹具2孔径为d1＝2.6mm；下夹具3孔径D＝4mm，下夹具3倒角尺寸为0.2mm×45°，试样4的厚度t＝0.500mm，直径d＝10mm，开槽顶部距离试样4的中心距离为l。小冲杆试样试验装置的具体操作为：将试样4放于下夹具3凹槽中，并用上夹具2压紧，防止其在试验过程中出现滑动。试验时冲杆1向下施加载荷，速率恒定为0.2mm/min，试样4随冲杆1下压发生变形，所受载荷不断增大，最终导致断裂发生。试验过程中冲头的位移、载荷等数据通过试验传感器装置记录，经过数据处理获得小冲杆试验的载荷-位移曲线。
在步骤S3中，对高钢级管线钢材料的贯穿型预制缺口小冲杆试样用数值模拟围线积分法确定的材料断裂韧性值Jc(SP)，确定了贯穿型试样由上表面开始产生裂纹；由SENB试样三点弯试验确定的材料断裂韧性值Jc。
具体来讲，以X80高钢级管线钢为例，确定了贯穿型试样由上表面开始产生裂纹，通过贯穿型预制缺口小冲杆试样数值模拟围线积分法确定的材料断裂韧性Jc(SP)值为523.73kJ/m2，由SENB试样三点弯试验确定的材料断裂韧性Jc值为638.21kJ/m2。两者数值不同的主要原因为两种试验所用试样的尺寸形状相差较大，导致受力情况不同。
S4：将临界断裂韧性Jc(SP)与材料断裂韧性Jc值进行关联，引入参数k和J0，建立小冲杆试验与试样三点弯试验得到的断裂韧性方程，即：JC＝kJC(SP)+J0；
具体来讲，步骤S4中，比较小冲杆数值模拟获得的断裂韧性Jc(SP)值及三点弯试验获得的精确断裂韧性JC值，可以发现小冲杆数值模拟得到的断裂韧性值较小。数值出现偏差的原因受多因素共同作用影响，其中两者应力状态相差较大为主要原因。通过测定小冲杆试样冲压过后的应力三轴度，与传统三点弯试验、紧凑拉伸试验比较后发现，几种试样的应力三轴度数值差距较大，这是由于不同试验试样尺寸和形状不同的结果。因此本发明通过引入比例系数k线性关联三点弯试验所获断裂韧性值与小冲杆试验所获断裂韧性值的关系，建立经验公式，以此建立由贯穿型缺口小冲杆试验获得材料断裂韧性值的方法。
S5：通过含有预制缺口的小冲杆试样、断裂韧性方程、以及与试验载荷位移吻合的有限元模型，得到待测管线钢的断裂韧性Jc值。
进一步地，使用X80管线钢所确定的k值为1.22，进而推广到使用X65、X70、X100材料，分别计算这几种材料的J积分值，得到各个管线钢的Jc(SP)和Jc值。再对X65、X70管线钢，以及X80、X100高级管线钢进行线性拟合，线性拟合图详见图9，得到比例关系：
JC＝kJC(SP)+J0；其中，k＝2.1603，J0＝-479.89。
上述小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法应用于化工设备或机械部件、核电设备或机械部件、以及清洁能源设备或燃料电池设备或机械部件的材料检测。
综上所述，本发明建立了贯穿型缺口小冲杆试样有限元模型，通过围线积分法得到小冲杆试验的J积分曲线，根据数值模拟结果判断起裂位移获得临界断裂韧性Jc(SP)，同时进行标准三点弯试样试验得到材料Jc值，再通过系数k建立二者的关联模型，然后进行线性拟合，建立使用贯穿型缺口小冲杆试样获得管线钢断裂韧性的方法。因此，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (2)

1.一种小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：利用有限元软件建立含有GTN损伤参数的小冲杆试验模型，通过对比试验和模拟结果的载荷一位移曲线，验证有限元模型的正确性和有效性，所述建立含有GTN损伤参数的小冲杆试验模型，所选用的GTN损伤模型的屈服函数可以表示为：
式中，Req为宏观Mises等效应力；ReL为基体材料的屈服强度；RH为宏观静水应力；q1、q2、q3为损伤参数；f*为孔洞的体积分数；
S2：通过验证的有限元模型进行不同尺寸预制贯穿型缺口小冲杆试样模拟与结果分析，得到最优的预制贯穿型缺口尺寸与试样厚度；最终确定将试验试样缺口偏移试样中心距离范围定为l∈[1.10，1.20]±0.01mm，最优的缺口宽度及缺口尖端半径r为100μm，试样厚度为0.500±0.010mm；
S3：开展含有最优预制贯穿型缺口尺寸的管线钢小冲杆试样试验得到小冲杆试验的载荷-位移曲线；开展试样三点弯试验得到断裂韧性JC值，并利用S1已验证的有限元模型确定临界断裂韧性JC(SP)，采用预制贯穿型缺口尺寸的管线钢小冲杆试样数值模拟围线积分法确定临界断裂韧性JC(SP)；
S4：将临界断裂韧性JC(SP)与材料断裂韧性JC值进行关联，引入参数k和J0，建立小冲杆试验与试样三点弯试验得到的断裂韧性方程，即：JC＝kJC(SP)+J0；
通过开展不同种类不同强度的管线钢三点弯试验、小冲杆试验和对应的有限元数值模拟，得到各种管线钢材料的JC和JC(SP)值，再对结果进行线性拟合，得到比例关系：JC＝kJC(SP)+J0
其中，J0＝-479.8872，k＝2.1603；
S5：通过含有预制贯穿型缺口的小冲杆试样、断裂韧性方程、以及与试验载荷位移吻合的有限元模型，得到待测管线钢的断裂韧性JC值。
2.如权利要求1任一所述小冲杆试验获取服役管线钢断裂韧性的方法在化工设备、核电设备或能源设备上的应用。
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