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X80管线钢韧性断裂研究与有限元模拟

邱保文  
【摘要】:西气东输工程是我国石油天然气工业的里程碑,其管道安全是与社会经济、政治、人民生命安全密切相关的重大问题。西气东输工程的设计思想采用的是夏比冲击功和DWTT断面纤维率控制方法,而作为衡量材料韧性断裂指标的JIC和CTOD因X80钢具有高韧性而导致测试无效,而广泛应用的传统断裂失效评定图存在参数确定问题。本文主要针对TMCP工艺生产的X80钢,采用具有物理意义的细观孔洞扩展模型来描述其韧性断裂特性,寻找表征X80钢韧性断裂的可靠方法。 应用不同颈缩程度的拉伸试验,通过金相观察和微细观测量,探明了X80钢中孔洞萌生的机理,第一阶段孔洞的形核是围绕钙处理硫化物,在颈缩初期即开始了;第二阶段属高应变量阶段,此时孔洞是通过MA岛/基体界面脱离形核。测定了钙处理硫化物/基体界面强度和MA岛/基体界面强度。 结合裂纹体断口观察,建立了体胞模型,对X80钢孔洞扩张进行了数值分析,对比分析了细观损伤理论中RT模型、Gurson模型、GTN模型和王自强模型的适用范围,获得了不同应力状态下孔洞扩张演化规律。针对先期形核孔洞聚合阶段的特点,分析了MA岛形核的可能性。体胞分析结果说明,在应力三轴度高于2时,完全可以不用考虑MA岛/基体界面脱离形核孔洞对断裂过程的影响。而在低应力三轴度(小于等于1)下,存在MA岛/基体界面脱离的条件,由于MA岛的含量远大于钙处理硫化物的含量,因此充分考虑二次形核对断裂过程的作用是十分必要的。 当夹杂物形态趋于球化,在不同应力状态,不同应力三轴度下,对应的体胞承载能力接近一致;而扁平椭球体孔洞则显示了较低的承载能力。微孔洞密度增加,导致孔洞扩张加快,降低材料的韧性。 考虑断裂过程区应力状态分布特点,有限元模拟得到与试验极其近似的裂纹扩展形貌,并获得了与试验记录的载荷-位移曲线高度吻合的预测曲线,使微观结构与宏观力学性能的联系有了真实的物理基础,提高了数值分析的可靠度。通过区域积分方法,获得了表征X80韧性断裂的特征值。 测定了X80钢疲劳裂纹扩展速率,采用有限元分析了X80钢管道在役运行条件下表面裂纹疲劳扩展特性,得到了不同初始形态的表面裂纹穿透过程的变化规律。运用已获得的细观力学模型对亚临界穿透裂纹疲劳扩展进行了分析,结合BS7910规范构造了先漏后破准则(即LBB)安全评定图。


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