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1、焊缝非匹配海底管线缺陷在不同标准下的安全评定研究(图)
2、第1摘 要:本研究在给定裂纹尺寸和载荷条件下,根据CTOD(裂纹尖端张开位移)试验结果,先后采用英国标准协会提出的BS7910标准和欧共体提出的结构完整性评定方法SINTAP,针对EH36管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行评定。根据拉伸试验结果,建立了管线钢焊接接头的评定曲线。评定结果表明,应用BS7910标准进行评定时,各评定点不在评定曲线定义的范围内,说明该结构不能验收;而使用SINTAP方法评定,各评定点均在评定曲线定义的范围内,此时结构是可以接受的。本次研究充分说明SINTAP在强度不匹配方面要求更加详细,评定结
3、果保守性相应地更低。关键词:BS7910;SINTAP;裂纹张开位移;强度不匹配因子;失效评定图;安全评定中图分类号:TQ055 文献标识码:A :1001-4837(2005)07-0004-04 海底油气输送管道是一种典型的焊接结构,研究实践均表明,对于焊接管道等结构中存在的缺陷,并非全部都会导致结构破裂失效。因此,从安全性和经济性的角度考虑,按某种标准评定其是否允许存在,是工程技术人员及生产单位极其关心的问题。英国标准协会于1999年发表了最新版本BS7910:1999[1]。它被视作全英国结构完整性评定标准,用于对新结构或已使用结构的完整性进行工程临界评定。19
4、99年3月完成的欧洲工业结构完整性评定方法(简称SINTAP[2]),是欧洲共同体国家多个研究机关及大学为“合于使用”[3]评定开发统一标准而合作进行的安全评定研究项目。 根据EH36管线钢的拉伸试验结果,应用BS7910和SINTAP两种方法对此管线钢焊接接头焊趾处的表面裂纹进行了评定。1 参数确定1.1 强度和应力€€应变曲线对标距均为50mm,标距内直径均为6mm的母材和焊缝标准圆棒试样进行拉伸试验,得到工程应力€€应变曲线及强度数据如图1和表1所示。(a) 母材(b) 焊缝图1 母材和焊缝的工程应力€€应变关系曲线1.2 韧性 采用带单边预制疲劳裂纹的3点弯试样,
5、按照BS7448标准(Part:2)[4],在实际结构的工作温度0℃下进行断裂韧性试验,得到热影响区和焊缝的断裂韧性试验结果如表2、表3所示。由于焊接接头中焊缝处的断裂韧性值最小,按挪威船级社(DNV)标准要求,本次试验的CTOD值取焊缝断裂韧性值中的倒数第二个最小值,即011164进行评定。表1 焊缝和母材的拉伸试验结果表2 0℃时钢焊缝的断裂韧度表3 0℃时钢热影响区的断裂韧度1.3 缺陷尺寸 裂纹长度2c=5mm(取所能探伤到的最小值),深度a=212mm(1217mm壁厚的钢管采用8层焊道,取1个焊道的高度),裂纹位于焊趾部位。1.4 载荷 海底管线在铺设过程主要
6、受到铺设应力的作用。本次研究中不同水深及水泥涂层厚度下的EH36管线钢所承受的静态铺设应力如表4所示。从表4可以看出,该管线钢在拱弯条件下,水泥涂层厚度为100mm,水深为73m时,所受的轴向应力最大(σ1=411MPa),并且弯曲应力的最大值为280MPa,此评定采用该最大值。残余应力取值014σBs=128MPa。采用这样的数据对评价结果是偏安全的。2 安全评定计算2.1 BS7910评定计算2.1.1 分析等级 结合本次试验材料性能,本次研究应采用BS7910标准中第一级评定的1A级和第二级评定[1]。表4 EH36管线钢的静态铺设应力2.1.2 评定结果 根据1A
7、级、2A级和2B级的评定点及评定曲线的基本方程,将计算得到给定裂纹的评定点描入对应的评定图中,评定结果如图2所示。(a) 1A级评定结果(b) 2A级评定结果(c) 2B级评定结果图2 评定结果2.1.3 评定结论 由图2可以看出,一、二级评定点均不在失效评定曲线定义的范围内。因此,当裂纹尺寸为2c=5mm,a=212mm并承受411MPa轴向拉力时,该缺陷不可以验收。2.2 SINTAP评定计算2.2.1 分析等级 由于本次拉伸试验测得的焊缝和母材的屈服强度比大于10%,故选用SINTAP程序中的第二、三级评定[2]。2.2.2 评定结果 管材的塑性极限载荷经过有限元
8、建模后进行计算,有限元模型如图3所示。再将由SINTAP基本方程计算得到的给定裂纹的评定点描入二、三级评定图中,结果见图4。(a) 管材整体模型(b) 沿管轴向网格图3 管材的有限元模型(a) 二级评定结果(b) 三级评定结果图4 评定结果2.2.3 评定结论 由图4可以看出,该评定点在二,三级评定曲线定义的范围内。因此,当裂纹尺寸2c=5mm,a=212mm时,即使承受411MPa轴向拉力,该缺陷也是可以验收的。3 结语 (1)本文先后采用英国标准协会提出的BS7910方法和欧共体提出的SINTA
