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

西安石油大学(自然科学版)

J0umalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)

Sep.2011

Vol_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.1Schematicdiagramofthecomplexdefect

ofcircularweldcrackwithmisalignment

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),㈩

R:.(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

生一定的轴向应力和环向应力,对于所建的轴对称

f2)模型,其轴向应力无法施加,特采用两端封头的形式

…使得焊缝上的裂纹处产生一定的轴向应力.其中

(a)为模型的整体情况,(b)为裂纹处的局部放大.

(a)环焊缝内表面裂纹轴向示意图(b)裂纹处局部放大示意图a/mnl

(C)没有错边情况下的理论计算值

与有限元计算值的比较

图2环焊缝内表面裂纹示意图及公式计算值与有限元计算值比较

Fig.2SchematicdiagramofthecrackincircularweldingHneandthecomparisonof

valuescaculatedbytheoreticalformulawithbyfiniteelement

利用ANSYS软件提供的plane183对裂纹尖端

进行网格划分,在线弹性条件下,J积分的值等于裂

纹尖端区域的应变能释放率,根据J与应力强度因

子的关系,将没有错边情况下的应力强度因子的理

论解和有限元计算的值随裂纹深度变化曲线绘

于图2(c)中.

从图2(C)可以看出,在没有错边的情况下,采

用该模型及网格划分所得到的应力强度因子的有限

元解与理论计算值基本吻合,误差很小,说明这种建

模方法在一定程度上是准确的.在此基础上,将这种

有限元方法应用到错边或噘嘴与裂纹的复合缺陷模

型中,与无错边的理论解相比较,从而验证其正

确性.

由于错边的存在,导致了管道结构整体的不连

续性,然而在建模时只能整体建模,同没有错边一

样,也采用轴对称模型,plane183单元划分裂纹尖端

网格,如图3所示.图3中考虑了存在内错和外错两

种错边的情况,相当于在一侧为标准半径(R)的情

况下,另一侧半径(R)相对减小或增大.

张奕等: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一91一

(a)内错R>R(b)外错R

图3有错边焊缝处局部放大示意图

Fig.3Locallyenlargeddiagramofthecrack

inweldinglinewitIImisaligament

3计算结果分析

应力强度因子计算采用的基本参数见表1

表1计算的基本参数

Tab.1BasicdataforcalculatingK1

管壁厚度t/mm8错边量e/ram4—7

管道内径Ri/mm352泊松比0.3

管道内压力p/MPa4材料屈服应力358

材料弹性模量E/MPa2.06×10./MPa

通过计算,在两种不同错边的情况下,得到的

ANSYS解与用式(1)计算的理论值比较绘制于

图4.可以看出,无论是内错还是外错,有限元得到

的应力强度因子的值与理论值相差不大,但是存在

图4错边量e=0.8nlnl情况下ANSYS计算值

与用式(1)计算值比较

Fig.4ComparisonofK1valuesofthecomplexdetect

cacnlatedbytheoreticalformulawithbyfiniteelement

whenthemisaligamentvaluee=0.8mnl

着一定的误差.这是因为在理论值计算时,采用的裂

纹深度没有考虑错边的尺寸,从而导致了误差的产

生.图5为错边深度e=0.5mlTl时不同裂纹深度的

应力强度因子的值,在一定程度上也反映了有限元

的计算解与理论值的误差所在,这就需要根据有限

元计算的结果对式(1)中的裂纹深度进行修正.

.搴

皇

Ⅱ0/IDJ33

图5两种错边情况的ANSYS的值与用式(1J

计算的值比较(e=0.5nlil1)

Fig.5ComparisonofK1valuesofthecomplexdetect

withinwordandoutwordmisalignmentseparatelycacnlated

bytheoreticalformnlawitIIbyliniteelementwhenthe

misalignmentvaluee=0.5mm

通过计算,将总的裂纹深度进行修正,当口./t≤

O.2时,裂纹深度为a0+0.5e,当0.2

时,裂纹深度采用%+(0.8—1.5ao/t)e,当00/t≥

0.3时,裂纹深度采用0.+0.5(1一Ct0/t).修正后应

力强度因子的计算公式为

K=

[c00r0+G1ol(孚)]丽,÷<0.2;

[Go0ro+G1o"1(孚)]√仃+(0.8一1.5)e],

0.2≤a

f

<0.3;

[Go0r0+G()]√仃[..+0.5(1一半)e],

÷≥0.3.

(7)

其中a.为无错边的裂纹深度;e为错边宽度(见图

1(b)).图6给出了不同o./所计算的应力强度因

e/mm

(c)ao/t=O.22~0.28

图6不同口./f的修正结果与有限元比较

Fig?6Thecomparisonofvaluesofthecomplexdetectcaculatedbycorrectedformulasunderdifferenta

0/tvalueswithbyfiniteelement

柏勰加

一^Iu.日dI\

一

92一西安石油大学(自然科学版)

子.由图可见,ANSYS数值模拟结果和修正公式计[3]

算结果具有良好的一致性.

4结论

本文通过有限元数值模拟计算研究,提出一个

工程上能够直接计算错边与环向焊缝中裂纹体这种

复合缺陷裂纹尖端应力强度因子的公式,为含缺陷

结构的断裂力学参量以及疲劳寿命计算提供一个简

洁方便的途径.

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责任编辑:田美娥

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责任编辑:贺元旦

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