对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究

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1、对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究2011年9月第26卷第5期西安

2、石油大学(自然科学版)J0umalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)Sep.2011Vol_26No.5文章编号:1673-064X(2011)05-0089-04对接焊管环向焊缝中裂纹与错边复合缺陷应力强度因子计算方法研究张奕,徐学利,张勇,李刚.,罗金恒(1.西安石油大学材料科学与工程学院,陕西西安710065;2.中国石油集团石油管工程技术研究院,陕西西安710065;3.塔里木油田销售事业部,新疆库尔勒841000)摘要:在管道现场焊接过程中,环向360.裂纹为常见的焊接缺陷,同时错边也是焊接过程中经常

3、出现的,对这两种缺陷单独的裂纹尖端应力强度因子已有比较清晰的分析以及计算方法,但是对这两种缺陷的复合应力强度因子还没有一个精确的计算公式.在过去研究结果的基础上,对其进行修正,提出一种适合工程应用的应力强度因子计算方法,为带缺陷焊缝管道的断裂力学参量计算及疲劳寿命估算提供简洁方便的途径.关键词:应力强度因子;焊接缺陷;裂纹;错边;环焊缝中图分类号:TE89文献标识码:A目前,世界各国的石油及天然气运输主要依靠油气管道输送.长期以来,由于各种原因导致了管道普遍存在一定数量的较严重缺陷,属带”病”运行状态,每年因腐蚀,裂纹和机械损伤等造成的事故十分频繁,泄漏与爆炸事故时

4、有发生.因此,提高对事故的预测能力是实现安全高效输油输气的关键,裂纹的应力强度因子是判断管道断裂的标准之一,因此计算带缺陷管道的应力强度因子十分必要.在管道的生产中,焊接是一个必不可少的工序,焊接管道经历了特殊的热过程,造成接头的组织,力学性能极不均匀,从而不可避免地存在各种缺陷,如表面裂纹,错边,未焊透,噘嘴,夹渣等,在使用过程中还可能产生局部腐蚀,表面疲劳等,因而焊接区往往是结构中对裂纹萌生和扩展较敏感的区域,一旦断裂就会造成极大的经济损失.一般来说,都把未焊透等缺陷当作裂纹来处理,计算裂纹尖端应力强度因子有很多种方法.文献[3]主要介绍了含轴向表面半椭圆形裂纹

5、的应力强度因子的计算方法;文献[4]主要介绍了含环向半椭圆形表面裂纹应力强度因子的计算方法;文献[5]利用有限元方法计算了在内压作用下含半椭圆形轴向裂纹管道的应力强度因子.目前对于焊缝中的”裂纹+错边”复合缺陷的应力强度因子还没有相应的计算公式.本文探讨了环焊缝中的裂纹与错边复合缺陷的应力强度因子的计算.1理论分析在实际当中,”错边+裂纹”的复合缺陷主要出现在管道对接环焊缝中,其中360.表面裂纹更是常见.在以前的文献当中,主要根据权函数方法计算裂纹尖端的应力强度因子.本文依API579中的理论为基础,提出一个关于”环焊缝中表面裂纹+错边”复合缺陷应力强度因子的计算

6、公式.图1为该复合缺陷示意图.这种复合缺陷的裂纹尖端应力强度因子的计算收稿日期:2011-06-21基金项目:中国石油天然气集团公司研究项目”油气管道完整性评估基础理论及方法研究”(编号:07A40401)作者简介:张奕(1983-),女,工程师,主要从事油气管道安全评价方面的研究.E-mail:zhangyiO08@cnpc.com.cn西安石油大学(自然科学版)(a)环向内表面裂纹示意图(b)错边示意图图1环焊缝内表面裂纹+错边复合缺陷示意图Fig.1Schematicdiagramofthecomplexdefectofcircularweldcrackwit

7、hmisalignment可依据文献[6]中K=[Go.+G1(孚)】,0.0m,pR,0”1=20”b(4)计算.其中:口为裂纹深度;f为管壁厚度;Go,G分别为由缺陷尺寸确定的影响系数;为管道所承受的膜应力;p为管道所受的内压;R为管道内径;由于是环焊缝,为错边产生的弯曲应力,根据API579,错边在环焊缝中产生的弯曲应力0”b=(×丢×芋),㈩R:.(6)其中.和分别为对接钢管内径(见图书室(b)).2有限元建模运用ANSYS计算应力强度因子,建模时要注意:为与有错边或噘嘴时形成对比,建立模型也采用轴对称形式,如图2所示.管道在内压作用下,会产生一定的轴向