浙江至德钢业有限公司为了试验研究含面型缺陷不锈钢弯头的极限承载能力,设计并进行了8个无缝弯头试样在内压和张开模式的平面内弯矩试验,对其中的无缺陷和有缺陷不锈钢弯头记录了相应的压力—体积变化曲线、压力—裂纹嘴张开位移曲线、力—加载点位移曲线或力—裂纹嘴张开位移曲线,并对不锈钢弯头截面的椭圆度和弯矩载荷之间的关系进行了分析。根据测试得到的曲线确定了这8个不锈钢弯头试件的试验塑性极限载荷,并将试验结果与有关理论进行了分析比较。
不锈钢弯头是石油化工行业大量采用的管道元件,由于几何形状复杂,且受到的载荷除了内压外还有弯矩和扭矩等载荷,所以管线中不锈钢弯头上承受的应力往往比直管大,也就容易在不锈钢弯头上形成裂纹、拉伤、局部凹坑等缺陷,且以纵向裂纹居多。不锈钢弯头一般采用韧性较好的材料制造,其失效模式通常是由极限载荷控制的塑性破坏,所以为了对含缺陷不锈钢弯头进行安全评定,其中的塑性极限载荷是一个必不可少的重要参量。国内外研究人员对无缺陷弯管极限载荷的研究开展了大量工作。例如,至德钢业基于小变形理论对内压或弯矩载荷作用下不锈钢弯头的塑性承载能力进行了相关探索和研究。而段志祥等[3-4]采用有限元方法研究内压或弯矩载荷作用(闭合模式)下不锈钢弯头的极限载荷。不锈钢弯头含表面裂纹或穿透裂纹,都会明显地降低其承载能力。至德钢业对含纵向或环向穿透裂纹不锈钢弯头的极限载荷进行了有限元分析。试验研究含裂纹不锈钢弯头塑性极限载荷的并不多。浙江至德钢业有限公司分别对不锈钢弯头外拱线和几何中性线处含穿透裂纹时的塑性极限压力进行了试验研究,Grif-fith[7]试验研究了四个几何中性线外含纵向穿透裂纹不锈钢弯头和二个周向穿透裂纹不锈钢弯头在平面内弯矩作用下的塑性极限载荷。而纵向表面裂纹对不锈钢弯头塑性极限弯矩的影响目前还很少有报导。本文通过试验测试了8个无缺陷或有纵向表面裂纹的不锈钢弯头在内压或平面内弯矩(张开模式)的作用下的载荷—位移曲线,确定了含有纵向表面裂纹不锈钢弯头的试验塑性极限载荷。
一、不锈钢弯头试件设计及加工
试验中采用无缝弯头的材料是304不锈钢弯头,名义外径D0=89mm,名义壁厚t=5mm,弯曲半径R0=120mm。从不锈钢弯头上沿纵向切下弧段后压平,按GB6397-86《金属拉伸试验试样》加工成矩形比例试样,然后按GB228-87《金属拉伸试验方法》将试样放在Instron8032液压伺服材料试验机上进行拉伸,由记录仪自动记录载荷—应变曲线,由于该材料没有明显的屈服平台,所以采用条件屈服强度σ0.2作为材料的屈服强度,并取材料屈服强度σ0.2和抗拉强度σu的平均值作为材料流变应力σf。测得的不锈钢弯头流变应力为426.39MPa,延伸率为21.85%。表1中给出的是不锈钢弯头的实测尺寸。试件包括含有表面裂纹不锈钢弯头和无缺陷不锈钢弯头。等效后的裂纹长度及载荷类型如表所示。其中表面裂纹是用薄铣刀在卧式铣床上加工成的,如图所示。为了测内压作用下不锈钢弯头的塑性极限载荷,同时考虑可多次使用又可避免边缘效应对不锈钢弯头试件的影响,设计了承受内压载荷的不锈钢弯头测试组件,如图2所示。图3为用于不锈钢弯头试件B4-B8的加载组件图,由于与不锈钢弯头相连的直管长度大于3倍的管径,所以可近似认为不锈钢弯头受到张开模式的平面内纯弯矩作用,测出的是含裂纹不锈钢弯头的塑性极限弯矩。
二、试验方法
1. 内压试验
在测定塑性极限压力时,油泵产生的压力由安装在油路中的压力传感器测量,变化V由液位传感器测得,得到压力—体积变化(p-ΔV)曲线。当不锈钢弯头试件上含表面裂纹时,在裂纹两边安装夹式引伸计,由函数记录仪自动记录,得到压力—裂纹嘴张开位移。然后按JB4732-2005的二倍弹性斜率法,根据压力—体积变化曲线和压力—裂纹嘴张开位移曲线确定无缺陷和有缺陷不锈钢弯头的极限压力。
2. 平面内弯矩试验
张开模式平面内弯矩作用下不锈钢弯头的测试在In-stron液压伺服试验机上完成,由试验机的记录装置自动记录载荷—加载点位移(F-Δ)曲线或载荷-裂纹嘴张开位移(F-CMOD)曲线,同时在试验过程中用游标卡尺测量一定载荷下不锈钢弯头中截面(45°处)的直径变化,得到其载荷—椭圆度(F-α)曲线。椭圆度α由式(1)表示:α=D2-D1Dn(1)式中,Dn为不锈钢弯头的名义直径,D1、D2分别为最小直径和最大直径,分别为不锈钢弯头中截面几何中性线之间的直径和内外拱线之间的直径。由二倍弹性斜率法从载荷—加载点位移(F-Δ)曲线或载荷—裂纹嘴张开位移(F-CMOD)曲线中即可确定试验塑性极限载荷,试验塑性极限弯矩等于塑性极限载荷与加载点到不锈钢弯头的水平距离的乘积。
三、试验结果与分析
1. 内压作用下的不锈钢弯头极限载荷
图为无缺陷不锈钢弯头试件B1在内压载荷作用下的压力—体积变化(p-ΔV)曲线,当压力比较低时,压力与体积变化呈线弹性关系,随着压力的升高,不锈钢弯头进入塑性强化阶段,没有明显的屈服阶段,与不锈钢弯头拉伸试样所表现出的性能基本相同。当压力达到爆破压力,在不锈钢弯头内拱线处发生纵向方向的破裂,如图5所示。这是由于不锈钢弯头内拱线处的周向应力最大,所以在常温内压爆破试验时,在不锈钢弯头内拱线处发生纵向破裂而失效,这与文献[9]的试验结果是一致的。根据测得的p-ΔV曲线,实验确定的试验塑性极限压力与按Mises理论得到的分析值比较见表2,显然实测值接近于与理论分析值,两者的相对误差为6.7%。
不锈钢弯头试件B2、B3在内拱线处含不同长度的表面裂纹(裂纹深度相同),在内压载荷作用下,变形主要集中在裂纹韧带处。从图6所示的压力—裂纹嘴张开位移(p-CMOD)曲线可以看出,当压力比较小时,裂纹张开嘴张开位移随着压力增加而线性增加,随着压力的进一步增大,裂纹张开嘴位移与压力不再呈线性关系,而是进入非线性塑性变形阶段,裂纹前沿韧带发生塑性变形。随着压力的继续增大,发生裂纹前沿韧带的撕裂穿透,显然不锈钢弯头的破裂压力要稍高于塑性极限压力。这也说明在工程中使用限制外载荷不高于塑性极限载荷的方法是保守的,但这样可以保证含缺陷管道安全仍能安全使用。B2和B3试件对应的试验塑性极限压力与文献分析值比较见表中。从比较结果看,试验塑性极限压力与理论分析值接近。
2. 平面内弯矩作用下不锈钢弯头塑性极限弯矩
a. 无缺陷不锈钢弯头
在受到张开模式的平面内弯矩作用时,图为无缺陷不锈钢弯头B4试件的载荷—加载点位移(F-Δ)曲线。加载过程中不锈钢弯头的横截面由圆形变为椭圆形,90°不锈钢弯头的中截面变形最大,其变形示意图和载荷F-椭圆度α曲线由图给出。从图中可以看出:不锈钢弯头的F-Δ曲线和F-α曲线呈现出相同的规律,即当载荷不大时,加载点位移Δ和椭圆度α与外载荷F保持线性关系,随着外载的继续增大而变成非线性关系。由于外载荷产生一个背离中性轴的力分量,使横截面变形后的抗弯惯性矩增大,从而弯曲阻力增大,所以在不锈钢弯头塑性阶段加载点位移和椭圆度一直随着外载的增大而增大。但当外载达到塑性极限载荷26.16kN(弯矩7.33kN·m)时,不锈钢弯头的椭圆度并不大,试验测定值为7.8%。
无缺陷弯管的理论极限弯矩可用Kitching提出的方法计算,从图9中可以看出B4实测结果要稍大于理论值,这是因为Kitching方法是基于小变形,未考虑不锈钢弯头椭圆度的影响。但由于在达到塑性极限载荷时不锈钢弯头的椭圆度不大,所以考虑或忽略椭圆度影响所带来的误差也不大。
b. 含纵向表面裂纹不锈钢弯头
为了真实地反映含表面裂纹不锈钢弯头的塑性极限载荷,在试验过程中记录了不锈钢弯头试件B5至B8,在受到张开模式平面内弯矩作用时的载荷—裂纹嘴张开位移(F-CMOD)曲线,试验塑性极限弯矩见图9。为了便于对比分析,图给出了试件B5和B7的裂纹中心附近不锈钢弯头的横截面载荷F-椭圆度曲线及F-CMOD曲线。
从图中可以看出在张开模式的平面内弯矩作用下,内拱线和外拱线处含表面裂纹的不锈钢弯头横截面变形规律与相同受载条件下无缺陷不锈钢弯头相同,即几何中性线之间的直径变小,内外拱线之间的直径变大。从测试结果看,含表面裂纹的不锈钢弯头试件达到塑性极限载荷时椭圆度不大,为6%~7%。从图中可见试验塑性极限弯矩与理论值接近,但由于理论值没有考虑不锈钢弯头变形时的弯曲阻力增大,所以实测值比理论值稍偏大也是合理的。
四、结论
浙江至德钢业有限公司通过对8个无缺陷或有缺陷Φ89mm×5mm的不锈钢弯头试样的内压或平面内弯矩试验,根据测试曲线和相关规范确定了每个不锈钢弯头试件的塑性极限载荷,主要结论有:①含缺陷不锈钢弯头的试验塑性极限载荷比无缺陷不锈钢弯头的小,说明裂纹的存在会降低不锈钢弯头的承载能力,承载能力的降低程度与裂纹的长度、深度及位置有关;②内压作用下无缺陷不锈钢弯头的失效位置是在内拱线处纵向方向,并且试验塑性极限压力和理论值很接近,理论略偏保守。③张开模式的平面内弯矩作用下的无缺陷不锈钢弯头和含缺陷不锈钢弯头的试验塑性极限弯矩比基于小变形分析得到的理论值偏大(误差≤15%),通过试验说明了在工程上应用小变形分析进行塑性极限弯矩预测也是可行的。
