JP2020524269A - 面内破壊靭性評価のための標準的な試験において材料サンプルを試験するための方法およびデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、その全体が本明細書に記載されているように参照により本明細書に組み込まれる、同じ表題を有する2017年12月29日に出願された、米国非仮出願第15/858,273号、および2017年6月15日に出願された、米国仮出願第62/520,489号の優先権を主張する。
2L+T≧4.5W(1)
ここで、Lは横方向の延伸部の長さを表し(延伸部が同じ長さである実施形態において)、Wは、前面106の上端からノッチ付き構成要素の後面108の後端までの距離として測定されるノッチ付き構成要素の幅を測定し、Tは、上述のように、構造材料(例えば、パイプ)の厚さに対応するサンプルの厚さを測定する。
本発明の特定の実施形態によるノッチ付き構成要素は複雑な「W」形状を有するので、試験標本が、横方向延伸部で完全に組み立てられたときに機械的に単一部品の一体的試験標本のように動作することを確実にするために、形状の寸法パラメータを選択することが重要である。図6は、本発明によるノッチ付き構成要素の一実施形態の拡大平面図を示す。図6は、特定の寸法d1、d2、d3、d4、R1、R2、t、Wおよび角度φを含む、ノッチ付き構成要素と関連付けられたいくつかの幾何学的パラメータを示している。したがって、示されたノッチ付き構成要素は、合計9つの幾何学的パラメータによって特徴付けられ得、その厚さ(t)は対象の構造材料の厚さに基づき、Wはテスターによって任意に固定される。残りの7つのパラメータ(d1、d2、d3、d4、R1、R2、およびφ)は、R1がR2と等しく設定されている場合に6つの変数に減らすことができ、実験試験またはシミュレーションモデルのいずれかを使用して最適化され得る変数である。
次の実施例では、10mmおよび20mmの厚さを持つ、石油およびガス産業の構造体に共通である2つの異なる平面構造体のパラメータの最適化について説明する。パラメータの最適化は、コンピュータシステムで実施される有限要素シミュレーションプログラム(例えば、ANSYS(登録商標)v16「シミュレータ」など)を使用して取得された。シミュレーションにより、4つの別個のモデルが生成された。モデルのうちの2つは、一体的な単一部品の標本を表し、一方は厚さ10mmの標本、他方は厚さ20mmの標本である。2つのモデルは、本発明による組み立てられた試験標本を表しており、同様に、一方は、厚さが10mmであり、他方は、厚さが20mmである。試験標本はそれらのそれぞれの水平中心に対して対称であるため、有限要素シミュレーションは、中心から周辺まで半分の標本で実行された。有限要素モデルの概略図を、図8A〜図8Dに示す。図8Aは、左下の頂点の後面でボール要素405によって圧縮力を受け、かつローラーボール要素410によって前面の上部に向かって支持された、厚さ20mmの一体的な標本402を示す。図8Bは、左下の頂点の後面で同様のボール要素405によって圧縮力を受け、かつローラーボール要素410によって前面の上部に向かって支持された、厚さ10mmの一体的な試験標本404を示す。図8Cは、横方向延伸部414と、横方向延伸部が結合されるノッチ付き構成要素416の半分の部分とからなる、厚さ20mmの組み立てられた試験標本412の有限要素モデルを示している。強制ボール要素405は、ノッチ付き構成要素416の後面に圧縮力を加え、横方向延伸部414の前面は、ローラーボール要素410によって支持される。図8Dは、横方向延伸部424と、横方向延伸部が結合されるノッチ付き構成要素426の半分の部分とからなる、厚さ10mmの組み立てられた試験標本422の有限要素モデルを示している。強制ボール要素405は、ノッチ付き構成要素426の後面に圧縮力を加え、横方向延伸部424の前面は、ローラーボール要素410によって支持される。
ここで、EはFCA材料の材料弾性モジュールであり、JはJ積分であり、Kは破壊靭性パラメータである。
A.実験の第1のセット−通常の(過酷ではない)環境
有限要素研究に加えて、組み立てられた標本の設計を検証するために、物理的標本に対していくつかの破壊靭性試験が実施された。破壊靭性試験は、特に、有限要素シミュレーションでまたモデル化されたFCA(疲労亀裂アレスタ)鋼で実施された。FCA鋼は、以下の表2に列挙した組成の高強度フェライトベイナイト鋼である。
使用中のパイプラインで一般的なシミュレートされたH2S条件の下で、API X65パイプライン鋼の破壊靭性特性に及ぼす水素の影響を判定するために、実験の第2のセットを実行した。具体的には、空気中および3つのレベルの水素における破壊靭性特性KIHおよびCTOD¬0を、S−LおよびT−L亀裂方向について研究した。破壊靭性実験は、フィールドパイプラインから抽出した300mmの厚さのX65低炭素鋼で実行された。標準的なHIC認定試験が最初に実行され、その結果、この研究で使用されたパイプライン鋼は、HIC耐性があることが示された。
CHmeasured=3.1+0.56log(pH2S)−0.17pH(2)
ここで、CHmeasuredの単位は、ppmwであり、pH2Sは、MPaで表されるH2Sの分圧である。
105 ノッチ付き構成要素
106 前面
107 中央ノッチ
108 後面
110 ノッチ付き構成要素
111 中央ノッチ
112 前面
114 後面
122 ソケット
124 タブ
126 ソケット
128 タブ
210 第1の横方向延伸部
212 タブ
214 ソケット
220 第2の横方向延伸部
222 タブ
224 ソケット
232 溶接接合部
234 溶接接合部
242 固定ボール要素
244 固定ボール要素
246 第3のボール要素
402 厚さ20mmの一体的な標本
404 厚さ10mmの一体的な試験標本
405 ボール要素
410 ローラーボール要素
412 厚さ20mmの組み立てられた試験標本
414 横方向延伸部
416 ノッチ付き構成要素
422 厚さ10mmの組み立てられた試験標本
424 横方向延伸部
426 ノッチ付き構成要素
Claims (22)
- 面内破壊靭性評価のための標準試験において材料を試験する方法であって、前記材料サンプルが、構造体の壁に使用されるタイプのものであり、前記方法が、
前記構造体の前記壁のサンプルを取得することと、
前記サンプルをノッチ付き構成要素に成形することであって、前記ノッチ付き構成要素が、前記構造体の前記壁の厚さと等しい厚さ寸法を有する平坦な底面と、プロファイルされた上面であって、前記底面の平面に対して垂直に配向された中央ノッチを有する、プロファイルされた上面と、前記中央ノッチの第1の側面上の第1のソケットと、前記中央ノッチの第2の側面上の第2のソケットと、を含む、成形することと、
第1の横方向延伸部を前記第1のソケットに、および第2の横方向延伸部を前記ノッチ付き構成要素の前記第2のソケットに結合することによって、前記ノッチ付き構成要素の前記底面の厚さを超えて前記サンプルの有効厚さを増加させる、試験標本を組み立てることと、
面内方向における前記材料の前記破壊靭性を評価するために、前記そのように組み立てられた試験標本に、標準的な破壊靭性試験を適用することと、を含む、方法。 - 標準的な破壊靭性試験において、前記中央ノッチがT−L方向に開くように配向されるように、前記ノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 標準的な破壊靭性試験において、前記中央ノッチがS−L方向に開くように配向されるように、成形された前記ノッチ付き構成要素を機械加工することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2の横方向延伸部の長さと、前記ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、前記底面から前記プロファイルされた表面の先端まで測定したときに、前記ノッチ付き構成要素の幅の4.5倍以上であるように、前記第1および第2の横方向延伸部を形成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2のソケットが、前記中央ノッチを中心として対称である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2のソケットが、前記中央ノッチを中心として非対称である、請求項1に記載の方法。
- 前記標準的な破壊靭性試験が、前記ノッチ付き構成要素の前記底面に力を加える、請求項1に記載の方法。
- プログラムされたコンピュータおよび前記標準的な破壊靭性試験からのデータを使用して、破壊靭性の有限要素シミュレーションを実行して、前記ノッチ付き構成要素に対する最適な幾何学的パラメータを判定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、第1の幅を有する第1のセクションと、前記第1の幅よりも小さい第2の幅を有する、前記第1のセクションの下に位置付けられた第2のセクションと、を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1および第2のソケットが、エルボ形状のノッチである、請求項1に記載の方法。
- 前記標準的な破壊靭性試験を適用する前に、前記ノッチ付き構成要素を水素で充填することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記水素濃度が所望のレベルに到達するまでの期間にわたって、前記ノッチ付き構成要素が、水素で充填される、請求項11に記載の方法。
- 前記ノッチ付き構成要素を、目標定常状態水素濃度まで充填するのに必要とされる電流密度を判定することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 複数の水素濃度レベルで、S−L方向とT−L方向との間の破壊特性の差を判定することをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記構造体が、約5mm〜約70mmの範囲の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 破壊靭性に関して、構造体の壁に使用される材料を試験するための装置であって、前記装置が、
(a)前記構造体の前記壁の厚さと等しい幅を有する底面、(b)プロファイルされた上面であって、中央ノッチを有する、プロファイルされた上面、(c)前記中央ノッチの第1の側面上の第1ソケット、および(d)前記中央ノッチの第2の側面上の第2のソケット、を有するように成形された前記構造体の前記材料のサンプルから作製されたノッチ付き構成要素と、
前記ノッチ付き構成要素の前記第1のソケットに結合された、第1の横方向延伸部と、
前記ノッチ付き構成要素の前記第2のソケットに結合された、第2の横方向延伸部と、を備え、
前記第1および第2の横方向延伸部が、前記ノッチ付き構成要素の有効幅を延伸して、標準的な破壊靭性試験で使用されるのに十分な長さの組み立てられた試験標本を提供する、装置。 - 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、標準的な破壊靭性試験において、T−L方向に開くように配向されている、請求項16に記載の装置。
- 前記ノッチ付き構成要素の前記中央ノッチが、標準的な破壊靭性試験において、S−L方向に開くように配向されている、請求項16に記載の装置。
- 前記第1および第2の横方向延伸部の長さと、前記ノッチ付き構成要素の厚さとの合計が、前記底面から前記プロファイルされた表面の先端まで測定したときに、前記ノッチ付き構成要素の幅の4.5倍以上であるように、前記第1および第2の横方向延伸部が形成される、請求項16に記載の装置。
- 前記構造体が、約5mm〜約70mmの範囲の厚さを有する、請求項16に記載の装置。
- 前記壁構造体が、X65の鋼で作製されたパイプを含む、請求項16に記載の装置。
- 前記ノッチ付き構成要素が、水素で充填されている、請求項16に記載の装置。
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