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1、含环向缺陷不锈钢管道的承载能力沈士明( 南京化工大学机械工程系, 南京 ,210009)W . Stadtmueller D. Sturm(MPA , University Stuttgart ,70569 Stuttgart , Germany )摘 要 压力管道广泛应用于各工业领域, 研究其承载能力, 对保证生产的安全运行具有重要意义。 通过对含环向缺陷不锈钢压力管道承载能力的试验研究方法 , 证实用于铁素体钢管的工程评定方法计算结果与不锈钢管试验结果有较好的可比性。关键词 环向缺陷 压力管道 承载能力 缺陷评定中图号 TL 353. 11近 20 年来 ,国际上广泛开展了压力管道完整性研
2、究 ,联邦德国国立材料研究所( MPA)在联邦德国研究技术部( BMFT) 和核工业界的资助下 ,与美国、日本等工业发达国家进行了 一系列研究 。研究初期 ,主要研究铁素体钢管道的完整性 , 特别是含环向缺陷的压力管道(包括压力容器 ) 的研究 1 6 。在研究中涉及的管子尺寸与试验参数范围为 :管子尺寸: 外直径 Da=75 800 mm , 壁厚 t =3 47 . 25 mm ;缺陷型式: 内表面、 外表面裂纹 ,穿透裂纹 ,复合裂纹;管子材料以高韧性铁素体钢为主; 试验条件: 压力 p =0 15. 5 MPa , 温度 T =20 285 ;载荷形式: 内压 、 弯矩 、 内压加弯矩
3、 。通过试验得到的主要结论如下 7 :1 通过试验得到了含穿透裂纹( a/ T = 1. 0) 的压力管道的破前泄漏( LBB, Leak Before Break) 曲线,在 LBB 曲线以上的区域为爆破区 ,曲线以下为泄漏区 ,如图 1所示 。2 管子 LBB 曲线与管子材料冲击韧性的关系( 见图 2) 。高韧性材料的管子容易满足破前泄漏条件, 即其 LBB 曲线位于低韧性材料管子 LBB 曲线之上 。3 含环向裂纹管子的承载能力与外载荷的关系 。外弯矩的施加对管子的失效起主导作用 , 而内压的影响较小。4 内压的大小会使 LBB 曲线产生移动 ,随内压的提高会使 LBB 曲线下移( 见图
4、 3) 。在同样外弯矩作用下 ,高的内压使管子的临界裂纹长度减小 。5 提出并验证了适合于工程应用的计算含缺陷管子承载能力的计算方法 8 ,9 。第 19 卷第 2 期 南 京 化 工 大 学 学 报 Vol. 19 No. 2 1997 年 4月 JOURNAL OF NANJING UNIVERSITY OF CHEMICAL TECHNOLOGY Apr . 1997联邦德国教育、科学、研究和技术部资助项目收稿日期: 1996-07 -09图 1 LBB曲线 图 2 材料韧性对 LBB 曲线的影响Fig . 1 LBB curve Fig . 2 Effect of the materi
5、al ductility on LBB curve工程实际中, 奥氏体不锈钢管, 由于它的高韧性和耐蚀性 ,在工业中亦得到广泛的应用 。同样, 由于制造和一些其他原因 ,在其母材或焊缝中会存在一些缺陷 。为证明铁素体钢压力管道的研究成果是否适合于奥氏体不锈钢压力管道 ,因此开展含环向缺陷不绣钢压力管道承载能力的研究 ,这对压力管道的完整性评定是十分必要的 。1 不锈钢管的试验研究11 试件试件由 219. 1mm 14 . 1 mm 的不锈钢管制成 。材料为 X10 CrNiTi 18 9 ,材料的机械性能见附表 。附表 常温时材料的机械性能Table 1 Mechanical propert
6、ies of material at room temperature材料类 别拉伸强度冲击值JI/ N( mm)- 1方向y/MPa u/MPa E /MPa方向KV/J方向JiX10 CrNiTi 18 9母 材L228582200000L -T230L -T372219. 1 mm14. 1 mm焊 缝L485717200000L -T100L-T100计划进行 16 根含有环向缺陷( 穿透和内表面裂纹 ) 的管子试验, 目前所进行的含穿透裂15第 2 期 沈士明等: 含环向缺陷不锈钢管道的承载能力图 3 内压对 LBB 曲线的影响Fig . 3 Effect of the intern
7、al pressureon LBB curve纹的管子, 其裂纹周向角分别为 120o和180o,裂纹分别位于母材或焊缝处, 它先由电火花加工到一定的裂纹长度, 然后在疲 劳试验机上进行疲劳扩展, 使加工的裂纹前沿产生疲劳扩展 , 以模拟实际裂纹的形貌,见图 4。12 试验装置和试验 为对管子施加外弯矩, 特殊设计和制造了弯曲试验装置( 如图 5) ,其最大弯矩 2MNm 。弯矩是由油泵通过装置两边的油 缸施加 ,弯矩的施加和部分卸载是通过伺服阀控制油缸的油压来实现的, 试验时除对管子施加外弯矩外 ,同时还施加内压, 内压为 7. 0 MPa, 由空压机通过蓄能器提供。 为施加内压, 在管子内
8、表面用特定密图 4 裂纹的形貌Fig. 4 The shape of the crack封装置加以密封 , 为模拟准静态加载条件 , 加载速率控制在应变速率为 10-31/s。试验载荷的控制和数据记录由计算机来完 成的, 试验时每 4 s测试并记录一次下列数据 ,由传感器采集并储存于计算机中 。1 施加的弯矩 ; 2 管子的挠度及角变形 ;3 管子不同截面处的椭圆度 ;4 管子缺陷附近及远离缺陷处不同部位的应变; 5 管子缺陷处的裂纹张开位移;6 管子的失效载荷等等 。2 试验结果与分析由试验结果可见 ,在最大弯矩达到之后裂纹嘴张开位移(CMOD,Crack Mouth OpenningDis
9、placement ) 仍在继续扩大, 图 6表示了试验后的管子 。在最大弯矩时, 管子缺陷所在平面 产生了屈服 ,而远离缺陷处, 管子仍处于弹性状态。管子失效时, 在缺陷所在平面处管子发生折曲 。图 7 表示了试验中穿透裂纹的形貌变化,在裂纹起裂前,裂尖产生明显的钝化 ,预制疲劳裂纹尖端被拉成 U 形 ,裂纹起裂后裂尖撕成楔形。16 南 京 化 工 大 学 学 报 第 19 卷图 5 2MNm 弯曲试验装置Fig . 5 2 MNm bending test device on LBB curve图 6 试验后的管子Fig . 6 The pipe after testing图 7 试验中裂
10、纹形貌变化Fig . 7 The initiation and growth of the crack试验测定的管子最大承受载荷与用工程计算 方法( 塑性极限载荷法和最大弯曲应力法) 得到的最大弯矩进行了比较(见图 8 ) , 图 8( a) 、( b)分别表示塑性极限载荷法和最大弯曲应力法的计算结果与试验值的比较, 图中实线为母材的计 算结果 ,虚线为焊缝的计算结果 ; 空心圆圈表示缺陷位于母材处的管子试验所测得的失效载荷,实心黑圈表示缺陷位于焊缝处的管子试验所测 得的失效载荷。由图可见, 最大弯应力法计算结果与试验值较吻合并偏于安全 ,而塑性极限载荷法的结果有时偏高。根据试验结果和有些资料
11、表明, 用塑性极限载荷法计算时 , 材料的失效应 力(流变应力 ) fl取作( y+ u) / 2. 4 更合适 。3 结 论通过对含环向缺陷不锈钢管子承受能力的 试验研究和理论分析可得 ,用于铁素体钢管的工程评定方法计算结果与不锈钢管的试验结果17第 2 期 沈士明等: 含环向缺陷不锈钢管道的承载能力有较好的可比性 ,其中最大弯曲应力法的结果更符合试验值 ,而塑性极限载荷法用于不锈钢管道承载能力计算时 ,对材料失效应力须作适当的修正。同时把试件测得的材料性能用于实际构件(管道 ) 评定的可能性还须进一步加以试验验证。(a ) (b )图 8 计算结果和试验值的比较管子 Da=219. 1 m
12、m l =14. 1 mm TW a/ l =1. 0; 材料 10CrNiTi 189 P =7. 0 MPa T =RTFig . 8 Compare of calculated and testing results致 谢 感谢联邦德国教育、科学、研究和技术部( B M B F) 的资助 ,同时也感谢核电站技术协会( V G B) 及设备与反应堆安全委员会( G R S) 对研究工作的支持, 还要感谢所有参加本研究项目的工程技术人员 。参 考 文 献1 Bartholome G , Bazant E, Wellein R, et al. Germany experimental prog
13、rams and results. Specialist meeting on Leak BeforeBreak in reactor piping and vessels. Lyon France, 1995. 30 322 Sturm D, Stoppler W.Phaenomenologische Behaelterberstversuche Phase-I. Abschlussbericht , Forschungsvorhaben 1500279, M PA der Universitaet Stuttgart Juli, 19853 Sturm D, Stoppler W . Ph
14、aenomenologische Behaelterberstversuche Phase-II. Abschlussbericht , Forschungsvorhaben 1500279, M PA der Universitaet Stuttgart Dezember, 19874 Julisch P , Schick M . Absicherungsprogramm zum Integritaetsnachweis von Bauteilen.Einzelvorhaben“Bauteilversuche” .Forschungsvorhaben 940 500 300. MPA der
15、 Universitaet Stuttgart Februar 19895 Julisch P , Sturm D, and Wiedermann J . Exclusion of rupture for welded piping of power stations by component tests and fail -ure approachs. Nuclear Engineering and Design, 1995, 158: 191 2016 Katzenmeier G , Hahn H U, Cron T . HDR -sicherheitsprogramm:Untersuch
16、ungen zur Raktorsicherheit am Heissdampf-reaktor Karstein. Phase-III Abschlussbericht PHDR 115-94, Kernforschungszentrum Karlsruhe , Maerz 199418 南 京 化 工 大 学 学 报 第 19 卷7 Stadtmueller W, Sturm D. Leak before break behaviour of austenitic and ferritic pipes containing circumferential defects. Pa-per 30 -1, specialist meet
