管材的低周疲劳性能分析及应变寿命公式的确定与验证1

《管材的低周疲劳性能分析及应变寿命公式的确定与验证1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管材的低周疲劳性能分析及应变寿命公式的确定与验证1（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）管材的低周疲劳性能分析及应变-寿命公式的确定与验证焦中良帅健“（中国石油大学（北京）石油天然气工程学院，北京102249）（中国石油大学（北京）机电工程学院，北京102249）摘要本文针对某输油管道管材进行了小试件低周疲劳实验井分析其疲劳性能同时采川半经验方法通过 管材的小向拉伸性能数抵估聲出管材的应变寿命（MansomCoffin公式）公式.并以疲劳实验实测寿命对 该公式做出进一步的验证.研究表明：采用经验公式计算得到的Manson-Coffm公式与低周疲劳实验所测 卷命能够牧好的吻合，可以作为管道低周疲劳卷命预测的向化方法。关键诃管道，M

2、TS试验机，Manson-Coffin公式，低周疲劳非命1引言油气竹道的低周疲劳破坏是威胁管道安全运行的潜在因素，一旦管道发生断裂事故，不仅可能 导致油气输送中断更会引起环境污染、财产损失茯至人员伤亡等严重后果。在管道的整个服役期间, 由内压的波动或外部载荷的周期性循坏引起的交变我荷循环次数不多，但可能使焊缝或修复结构等 敏感区域进入弹塑性状态，最终产生裂纹并扩展而导致管道疲劳破坏二本文对某输油管道的管材分别进行了单向拉伸和低周疲劳测试，对其低周疲劳性能做了讨论， 并以拉伸实验为基础，通过经验公式计算出管材的应变-寿命公式（以Manson-Coffm公式为例）的各 项参数值，并以低周疲劳实验结

3、果对该公式做进一步的验证，为管道的评价与安全运营提供参考依 据。2管材的疲劳性能分析管材的低周疲劳实验参照国标GB/T 15248-2008（金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法），为避 免热加工对管材性能的影响，采用线切割方法沿管道环向切取，共对试件A、B进行低周疲劳实验。 实验管材为X60螺旋钢管，在MTS810疲劳试验机上进行，采用止弦波恒应变幅对称循环加载，应变 幅-03%,平均应变殆0,加载;频籽1HZ实验温度与环境：室温，空气介质S试件A、B裂纹 均发生在引伸计夹持范鬧内，故属有效试件。试件的疲劳裂纹形貌是管材疲劳破坏的址直接描述，两试件的裂纹外貌如图1所示。图1试件疲劳裂纹外貌表1

4、为疲劳试验中两试件在第5000周的加我、卸载弹性模量，卸我弹性模量稍人于加我弹性模量。E-mail: 中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）表1管材弹性模量试件加载弹性模虽(GPa)卸載弹性模虽(GPa)试件A194. 33196. 18试件B179. 06188. 57管材在循环加载下的应力应变曲线叫做循环应力应变曲线，与单调加载下的应力应变曲线有很 人的不同，对结构在循坏加载卜的应力应变状态的描述起着至关重要的作用。当管材承受的外载荷 超过口身的比例极限时，就形成迟滞回线，亦即滞后环。如图2、图3所示，绘制出两试件在不同循 环周次时的滞后环，可以看出管材在循环作用下整性应变是

5、比较明显的。在外部载荷的循环作用2管材反复产生塑性变形，塑性流动特性改变，其抵抗变形的能力增 加或减小，这种现象称为循环硕化或循环软化。管材的循环硬化或软化通过其滞后环体现，从图2、 图3中可以看到，在应变幅恒定的情况下，试件的应力随循环次数的増加有下降的趋势，即管材呈现 循坏软化现象。-0.0024002000. 001 0. 002应变(mm.，mm)0. 0030.001 0.002用变(am. nm丿(0. 003中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）70丄-600 丄图2试件A部分滞后环图3试件B部分滞后环循环蠕变和循

6、环松驰是管材循环应力应变的另一个瞬态特性。在常幅应力控制下，应变不断提 升的现象叫循环蠕变，在常幅应变控制下，应力不断下滑的现象叫循环松驰。实验表明：管材并没 有表现出循环蠕变和循环松驰现象。图4所示为两试件在0.3%应变幅下应力幅随循环次数的变化曲线。从图中可以看出，在恒应变幅循 环作用下，管材的应力幅随循环次数的増加而略有下降，即表现为循环软化现象当循坏周次达到一定程度时两试件的应力幅值突然减少，即管材发生疲劳破坏，将循环稳定时 应力幅的75%作为管材的失效标准，则两个试件的低周疲劳寿命分別为14508和14018周次。600 -400 -200-1002000 1000 6000 800

7、0 10000 12000 11000 16000 循环周次中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）-600图4应力幅随循环次数的变化关系3管材应变寿命公式的确定与验证管材的疲劳件能包括两部分内容：首先肚循环加載卜的血力-应变关系，即循环应力-应变曲线, 其次即管材的应变寿命关系。本文采用MansoivCoffin公式描述管材的应变寿命关系S(1)a =乓 +=-(2N)b + ef(2N)c式中，怖为管材的总应变；S为弹性应变；知为塑性应变；2N为管材的低周疲劳寿命；可为疲劳强 度系数：b为疲劳强度指数：今为疲劳延性系数：C为疲

8、劳延性指数。由公式（1）可知，管材的总应变昂由弹性应变屉和塑性应变知组成，用双对数坐标做出应变 寿命关系曲线（如图5）,贝9总应变-寿命曲线由弹性线和塑性线组成，这两条线在双对数坐标系中为 直线，其斜率和在纵轴上的截矩分别对应看公式（1）中的疲劳强度指数久疲劳延性指数C、疲劳强 度系数刃和疲劳延性系数弘图5 Manson-Coffin公式的曲线描述中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009）确定Manson-Coflfin公式的址好办法是通过管材的多组试样测定，以不同应变幅值做6-7组疲劳实 验，拟介得到公式中各参数值，但实验拟介方法所需试件多、工作量人，为了减少工作量或者対于 试样来

9、源较少的情况，町以利用管材的静拉伸性能对Manson-Coffin公式做出近似估算。四点关联法 是Manson建议的由弹性线和塑性线上斜率和截矩这四个特殊值进行估算，经验表明由此得到的 MansomCoffin公式可以和材料的实际疲劳性能较好的吻合。这里采用改进的四点关联法，齐参数值 由公式（2）得到：b = -0.0792 + 0.179 log (力 /)C = - log3.3与。讣1-81.8（矶/可（勺/耳）小(2) =1.12耳（力/碍）砒= 0.413勺1-81.8（叭/町（勺/叭广”式中，巧为试件的真实断裂强度：今为试件的真实断裂延性；6为强度极限；为弹性模屋。拉伸实验同样在M

10、TS810试验机上进行，拉伸实验采用位移控制，加载速率：O.OlninVso表2为 单向拉伸实验中管材试件的机械性能参数。表2试件的机械性能参数贞实断裂强度（引真实断裂延性（多断而收缩率强度极限（）弹性模星（Q1080 84(MPa)0928660.49%600(MPa)190(GPa)将表2中数据代入公式（2） 计算得到Manson-Coffin公式各参数值，列于表3。表3 Manson-Coffin公式参数断裂强度系数（&）断裂强度指数（b）断裂延性系数（0）断裂延性指数（C）1136.650.12460.4293-0.5608故管材的Maiison-Coflhi公式表示为:eQ = 0.

11、00598(2NfE + 0.4293 dN)%08如前所述，两个低周疲劳实验的恒应变幅值为0.3%,将该值代入上式，计算得到其估算疲劳寿 命为14700周次。将两个试件的实测寿命与估算值做一对比(如表4所示)。两个试件与估算疲劳寿命 相对误差分别为1.32%和4.87%,结果表明由Manson-Coffin公式估算出的疲劳殍命与管材实测殍命能 够较好的吻介，即釆用拉伸实验估算的Maiison-Coffiii公式可以用丁管材的应变疲劳寿命预测。表4管材怙算疲劳寿命与实测寿命比较试件实测寿命(周次)绝对误差(周次郴对误基(%)试件A145081921.32试件B140186824.874结论(1

12、) 管材呈现出循坏软化现象，以循坏稳定时应力偏的75%作为失效标准，则管材的低周疲劳 寿命大约为14000次。(2) 通过单向拉伸实验估算了管材的应变-寿命关系，并拟合得出管材的应变-寿命公式，通过 管材的低周疲劳实测卷命对比表明，采用经验方法获得的Manson-Coffin公式町以作为管材低周疲劳 寿命估算的依据。(3) Manson-Coffin公式只适用于描述管材较短疲劳寿命区，同时没有考虑管道几何尺寸、焊 缝及腐蚀等因素，为准确预测管道的实际疲劳寿命，可以将此作为以后的工作重点。参考文献1李国辉，刘其民，付国英等.埋地输气管道疲劳强度分析J.管逍技术与设备，2006. (2): 45-

13、462赵新伟，韩晓毅，罗金恒等.西气东输用焊接钢怯疲劳可靠性寿命评估J.石油机械，2005, 33(3): 10-133姚卫厘.结构疲劳卷命分析M.北京：国防工业出版社，2003: 36-384徐濮.疲劳强度设计M.北京：机械工业出版社，1981: 277-288THE LOW CYCLE FATIGUE PROPERTIES ANALYSIS OF PIPELINE ANDDETERMINATION&VALIDATION OF STRAIN-LIFE FORMULAJiao Zhongliang Shuai JianFaculty of Petroleum Engineering, Chin

14、a University of Petroleum. Bcijmg 102249)(Faculty of Mechanical and Electronic Engineering. China University of Petroleum、Beijing 102249)Abstract This paper analyzes the pipelines low cycle fatigue properties though small specimen test, according to simple tensile test MansoCoffin formula is obtaine

15、d by senu-empincal method, meanwhile, this methods is verified by actually measured fatigue life, its concluded that the low cycle fatigue life by Manson-Coffin formula matches actually measured fatigue life well, so the meod can be used for pipeline low cycle fatigue life predictio n.Key words Pipeline, MTS test machine, Manson-Coffui formula. Low cycle fatigue life管材的低周疲劳性能分析及应变-寿命公式的确定与验证田尸感黒丈灿搀作者: 作者单位:魚中良.帅健仙1应（中国石油人学（北京）石汕人然气