国产高强管线钢失效判定曲线研究

史君林，赵建平，蒋伟杰

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京211816）

国产高强管线钢失效判定曲线研究

史君林，赵建平，蒋伟杰

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京211816）

为了研究国产高强度管线钢的失效行为，分别对X80、X80HD和X90三种国产高强度管线钢取四种典型试样，即紧凑拉伸试样（CT），中心裂纹板试样(CCP），双边裂纹板试样(DECP）和单边裂纹板试样(SECP），通过有限元计算，绘制了不同裂纹尺寸下的平面应力状态和平面应变状态下的失效评定曲线（Failure Assessment Curve，简称FAC）。研究结果表明，大多数情况下，R6第四版通用曲线比较保守，但是对DECP试样显得不保守，为此提出了针对高强管线钢的修正评定曲线。

管线钢；失效评定曲线；缺陷评定

随着石油天然气工业的不断发展，管线钢呈现高强度化、低温韧性、高变形性及耐酸性的特点[1]，我国在高强度管线钢管开发领域已经取得了显著进展[2]，X80管线钢管在西气东输二线得到了广泛的应用。在油气输送管线钢管的生产和使用过程中，缺陷是不可避免的，因此缺陷评定对于管道的安全运行具有重要意义。失效评定图作为有效的缺陷评定方法，被广泛运用于含缺陷结构的安全评定。

虽然国内外对于含缺陷承压结构的安全问题已经形成了 R6[3]、 BS7910[4]和 API 579[5]， GB/T 19624—2004[6]等含缺陷结构安全评定标准，但结合我国的实际情况，仍需要对失效评定曲线（Failure Assessment Curve，简称 FAC）进行研究。王志文等[7]对我国压力容器用钢的失效评定曲线进行了多方面系统研究；李亚宁等[8]对16MnR，20R和Q235B压力容器用钢的失效评定曲线进行了研究。而对于管线钢，王珂等[9]建立了X52焊缝失效评定曲线；张华等[10]使用声发射方法，测定了X80管线钢的断裂韧性，建立其失效评估曲线及拟合曲线；王海涛等[11]研究了X80管线钢的屈强比对失效评估曲线的影响；杨东平等[12]，王珂等[13-14]，李新华等[14]也对X80管线钢失效评估曲线进行了研究。然而目前针对X80及以上级别钢材失效评定曲线的研究相对较少，尤其是高强管线钢具有较高的屈强比等一些特殊性质，因此对X80、X80HD和X90三种管线钢的失效评定图进行了研究。

1 失效评定的原理与方法

1.1 R6通用失效评定曲线

英国中央电力局（CEGB）在2001年推出了最新的R6第四次修订版。R6提出了建立FAC的三种选择方法。

（1）选择1

截止线 Lrmax=σf/σy， 其中 σf=0.5（σy+σu）， R6的这一通用FAC是以J积分理论为基础的。它具有以下重要特点：该曲线与裂纹体结构、裂纹尺寸无关，而且与各种材料性能的差异无关；要求材料性能基本符合Ramberg-Osgood（简称R-O）关系，却又不直接依赖R-O中的α和n参数。它是一条保守的通用失效评定曲线，适用于应力-应变曲线上无明显屈服平台的所有材料。

（2） 选择2

其中εref是材料真应力应变关系曲线上σref对应的应变，E为杨氏模量。

（3） 选择3

J和Je分别为相同载荷下J积分的弹塑性总值以及弹性分量。在三种失效评定曲线中选择3精度最高，其精度依赖于J积分值求取的有效性。

由失效评定曲线（FAC）、横坐标Lr、纵坐标Kr以及截断点Lrmax共同围成的图形称为失效评定图，失效评定图方法以两个参数Lr和Kr作为判据，根据评定点（Lr，Kr）是否落在图形内部来判断缺陷是否安全。

1.2 材料性能参数

试验所用材料为国产X80，X80HD和X90三种管材，按照GB/T 228—2010[15]方法，完成对三种材料的拉伸性能试验测试。经过处理的真应力-应变关系如图1所示。由图1可以看出，材料没有明显的屈服平台，其本构关系基本完全符合Ramberg-Osgood关系 （简称R-O关系材料），按照R-O关系塑性整体拟合得到表1的参数。

图1 材料的单轴拉伸真实应力－应变曲线

从图1中可看出，材料的屈服极限有了明显提高，但抗拉强度提高不是很明显，曲线比较平缓，用屈强比来描述管线钢管这一指标。屈强比是屈服强度和抗拉强度的比值（屈强比R=σy/σu），表征材料从屈服到断裂这一过程中所能承受过载的裕度，这三种管线钢的屈强比最大接近了0.9。而通常普通一些材料的屈强比为0.65～0.75[16]，这对失效评定曲线的直接的影响就是截至线Lrmax减小，因为截至线就可转化为，则随着屈强比增加，失效评估图的安全区域减小。

表1 材料的特性参数

1.3 有限元计算

美国电力研究院（EPRI）的弹塑性断裂分析工程方法中包括紧凑拉伸试样（compact tension，CT）受均匀拉伸的中心开裂平板（center crack panel， CCP）、 单边开裂平板（single edge crack panel， SECP）和双边开裂平板（double edge crack panel，DECP）等[17]。这里选用了这四种典型试样（CT、CCP、SECP和DECP），使用有限元方法计算J积分，并绘制出典型试样的失效评定曲线。

有限元计算采用ABAQUS软件，使用真实的应力应变的关系，建立平面模型，在裂纹尖端附近细化网格，计算过程中设定了10条积分围线，输出结果除第一条围线外其余围线结果基本一致，表明了路径无关。最后舍去误差较大的第一条围线，其他结果取平均值，得到J积分的值。

2 结果与讨论

本研究分别对三种材料计算了四种典型试样：紧凑拉伸试样（CT），中心裂纹板试样（CCP），双边裂纹板试样（DECP）以及单边裂纹板试样（SECP），在不同裂纹尺寸（a/w分别为 0.2，0.4，0.6和0.8）下的J积分和极限载荷等，根据R6的选择3方法，绘制出四种典型试样失效评定曲线。

2.1 单边裂纹板（SECP）试样的失效评定曲线

SECP试样平面应变和应力状态下的失效评定曲线如图2和图3所示。对于单边裂纹板试样，选择1曲线与选择3曲线偏差较大，在Lr为0.7以后就发生了严重的分离，显得尤为保守。而选择2曲线和材料性质有很大关系，通常情况下，和选择3曲线差距不大，但在平面应变状态下，当X80HD的SECP的裂纹尺寸为a/w=0.2，偏离的很大，显得不保守。

图2 SECP试样平面应变状态下的失效评定曲线

图3 SECP试样平面应力状态下的失效评定曲线

2.2 双边裂纹板（DECP）试样的失效评定曲线

DECP试样平面应变和应力状态下的失效评定曲线如图4和图5所示。从图中可以发现，在平面应变状态下，当深裂纹试样的韧性较低，裂纹尺寸a/w=0.8时，其基于选择3曲线远远偏离选择1和2曲线，对三种管材来说，材料的屈强比越大，偏移的越大，在Lr较大时，选择2曲线也表现为不保守。而平面应力条件下的评定曲线结果，则表现为裂纹尺寸a/w=0.2时，其基于选择3曲线也偏离选择了1和2曲线。除了X80HD，其屈强比较低，韧性较好。选择2曲线很大部分位于选择3下面，显得不保守。

图4 DECP试样平面应变状态下的失效评定曲线

图5 DECP试样平面应力状态下的失效评定曲线

2.3 中心裂纹板（CCP）的失效评定曲线

图6 CCP试样平面应变状态下的失效评定曲线

图7 CCP试样平面应力状态下的失效评定曲线

CCP试样平面应力和应变状态下的失效评定曲线如图6和图7所示。对于中心裂纹板试样，可以看出选择1曲线还是显得比较保守，其在Lr在0.8左右与选择3曲线偏离较大，而选择2曲线在Lr较小时有着明显的保守性，而但Lr较大的时候时，没有太大的保守性，选择3曲线随着缺陷尺寸a/w的值的增加，呈上升趋势。

2.4 紧凑拉伸试样（CT）试样的失效评定曲线

CT试样平面应变和应力状态下的失效评定曲线如图8和图9所示。从图中可以发现，当a/w为0.2时，由于CT试样结构的高约束度，后期难以收敛，故曲线较短。在平面应变条件下X80，X80HD和X90三种材料的CT试样下的失效评定曲线偏高。可以认为选择1曲线和2曲线均保守的。随着裂纹尺寸的增大，选择3的FAC曲线先向上抬升（a/w＜0.6），之后又向下偏移（a/w=0.8）。在平面应力的条件下，裂纹尺寸a/w=0.2时，选择3曲线在选择1和选择2曲线之间。除此选择2曲线比较接近选择3曲线，选择3曲线随着裂纹尺寸的增大，选择3曲线逐渐向上抬升，且离散型程度较低。

图9 CT试样平面应力状态下的失效评定曲线

2.5 讨 论

从建立的FAC可以看出，失效评定曲线对材料的性质，结构的几何形状，缺陷的尺寸有很大关系，随着钢管屈强比升高，其失效评估曲线的截至线降低，钢管的塑性压溃极限载荷降低，其在高载荷状态下的安全应用范围减小。

对于大部分情况下，对于高强管线钢，选用R6曲线通用曲线进行评价，显得比较保守，但是对于DECP试样R6曲线显得不保守，为了使曲线更加偏于安全，本研究对这三种材料的四个不同尺寸的试样的基于平面应力以及平面应变的失效评定曲线进行汇总，如图10所示。

图10 失效评定曲线

把建立FAC曲线取下包络线，使用R6选择1函数的形式进行拟合修正，本研究中的X80HD屈强比最低为0.732，这里屈强比取0.72，截止线Lrmax=1.2，曲线表示在图10中，通过调整系数得到，其修正后的方程如下：

3 结 论

（1）失效评定曲线与材料的性质，结构的几何形状，缺陷的尺寸等有很大关系。随着钢管屈强比升高，其失效评估曲线的截至线降低，钢管的塑性压溃极限载荷降低，其在高载荷状态下的安全应用范围减小。

（2）对比不同材料，不同典型试样，不同尺寸的失效评定曲线可以发现，大部分情况下使用R6通用失效评定曲线对高强管线钢进行安全评定还是比较保守，在试验数据不完善或者计算条件不允许的情况下，可以考虑采用的通用曲线作为安全评定依据。

（3）虽然大多情况下选用R6曲线通用曲线比较保守，但实际结构中存在许多浅长型表面裂纹，本研究将平面应变的DECP（a/w=0.8）考虑在内应该是合理的，拟合出新的FAC更加偏于保守，将更适合于高强管线钢的安全评定。

[1]孙宏，王庆强.国际高强度管线钢管的研究进展[J].压力容器，2012（01）：36-42.

[2]王晓香，李延丰.高强度管线钢管开发在中国的新进展[J].钢管，2011（01）：19-25.

[3]AINSWORTH R A.R6-Revision 4:2001，Assessment of the integrity of structure containing defect[C]//London：British Energy Generation Ltd，Amendment，2001：12-15.

[4]Standard B 7910：2005，Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].

[5]API 579-1/ASME FFS-1—2007，Fitness for Service[S].

[6]GB/T 19624—2004，在用含缺陷压力容器安全评定[S].

[7]王志文，李培宁，雷月葆，等.我国压力容器通用失效评定曲线的初步研究[J].化工机械，1995（2）：115-120.

[8]李亚宁，董保胜，赵新伟，等.含裂纹型缺陷压力容器用钢失效评定曲线研究[J].有色金属，2007（1）：10-13.

[9]王珂，赵新伟，罗金恒，等.X52焊缝失效评定曲线[J].管道技术与设备，2011（3）：37-39.

[10]张华，赵新伟，罗金恒，等.X80管线钢断裂韧性及失效评估图研究[J].压力容器，2009（12）：1-4.

[11]王海涛，李鹤，李洋，等.X80管线钢管的屈强比对其失效评估曲线的影响[J].管道技术与设备，2012（5）：6-9.

[12]杨东平，胥聪敏，盛燕，等.0.8设计系数用X80管线钢焊接接头的失效评估曲线[J].机械工程材料，2014（9）：47-50.

[13]王珂，罗金恒，杨锋平.0.8设计系数用X80管线钢失效评估曲线研究[J].焊管，2015（3）：20-23.

[14]李新华，罗金恒，赵新伟，等.高钢级管线钢失效评估曲线研究[J].焊管，2007（4）：33-35.

[15]GB/T 228—2010，金属材料拉伸试验室温试验方法[S].

[16]ERNST H A.Effect of the yield to tensile ratio on structural integrity of line pipes subjected to bending loads[J].Journalof Offshore Mechanics&Arctic Engineering，2011,133（3）：783-789.

[17]库默.弹塑性断裂分析工程方法[M].北京：国防工业出版社，1985.

Investigation of Failure Assessment Curve for High Strength Pipeline Steel Produced in China

SHI Junlin，ZHAO Jianping，JIANG Weijie

（School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing TECH University，Nanjing 211816,China）

In order to study the failure behaviors of high strength pipeline steel produced in China,the failure assessment curve（FAC） for high strength pipeline steel produced in China（X80,X80HD and X90） with different crack sizes of four typical specimens（CT,CCP,DECP,and SECP）were respectively drawn,under plane stress state and plane strain state,by using finite element method.The results showed that the R6 revision 4 general curve is conservative in most cases,but the FAC for DECP is no longer conservative.Meanwhile the modified FAC for high strength pipeline steel was given in this paper.

pipeline steel;failure assessment curve（FAC）;defect assessment

TE88

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.003

史君林（1992—），男，四川巴中人，现为南京工业大学机械与动力工程学院硕士研究生。

2019-03-29

谢淑霞

《中国焊管50年》征订启事

由中国金属学会轧钢学会第五届焊管学术委员会组织编撰,《焊管》期刊社负责资料收集、整理、编辑,中国工程院李鹤林院士担任主编，焊管制管企业和相关科研院所50余位学者、专家共同参与编写的大型历史文献《中国焊管50年》，发行以来，受到广大读者的广泛好评。

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《中国焊管50年》全书约100万字，定价200元（含邮资），可直接与《焊管》期刊社联系订购。

联系人：谢淑霞联系电话：0917－3398448