浙江至德鋼業(yè)有限公司為了試驗研究含面型缺陷不銹鋼彎頭的極限承載能力,設計并進(jìn)行了8個(gè)無(wú)縫彎頭試樣在內壓和張開(kāi)模式的平面內彎矩試驗,對其中的無(wú)缺陷和有缺陷不銹鋼彎頭記錄了相應的壓力—體積變化曲線(xiàn)、壓力—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線(xiàn)、力—加載點(diǎn)位移曲線(xiàn)或力—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線(xiàn),并對不銹鋼彎頭截面的橢圓度和彎矩載荷之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。根據測試得到的曲線(xiàn)確定了這8個(gè)不銹鋼彎頭試件的試驗塑性極限載荷,并將試驗結果與有關(guān)理論進(jìn)行了分析比較。
不銹鋼彎頭是石油化工行業(yè)大量采用的管道元件,由于幾何形狀復雜,且受到的載荷除了內壓外還有彎矩和扭矩等載荷,所以管線(xiàn)中不銹鋼彎頭上承受的應力往往比直管大,也就容易在不銹鋼彎頭上形成裂紋、拉傷、局部凹坑等缺陷,且以縱向裂紋居多。不銹鋼彎頭一般采用韌性較好的材料制造,其失效模式通常是由極限載荷控制的塑性破壞,所以為了對含缺陷不銹鋼彎頭進(jìn)行安全評定,其中的塑性極限載荷是一個(gè)必不可少的重要參量。國內外研究人員對無(wú)缺陷彎管極限載荷的研究開(kāi)展了大量工作。例如,至德鋼業(yè)基于小變形理論對內壓或彎矩載荷作用下不銹鋼彎頭的塑性承載能力進(jìn)行了相關(guān)探索和研究。而段志祥等[3-4]采用有限元方法研究?jì)葔夯驈澗剌d荷作用(閉合模式)下不銹鋼彎頭的極限載荷。不銹鋼彎頭含表面裂紋或穿透裂紋,都會(huì )明顯地降低其承載能力。至德鋼業(yè)對含縱向或環(huán)向穿透裂紋不銹鋼彎頭的極限載荷進(jìn)行了有限元分析。試驗研究含裂紋不銹鋼彎頭塑性極限載荷的并不多。浙江至德鋼業(yè)有限公司分別對不銹鋼彎頭外拱線(xiàn)和幾何中性線(xiàn)處含穿透裂紋時(shí)的塑性極限壓力進(jìn)行了試驗研究,Grif-fith[7]試驗研究了四個(gè)幾何中性線(xiàn)外含縱向穿透裂紋不銹鋼彎頭和二個(gè)周向穿透裂紋不銹鋼彎頭在平面內彎矩作用下的塑性極限載荷。而縱向表面裂紋對不銹鋼彎頭塑性極限彎矩的影響目前還很少有報導。本文通過(guò)試驗測試了8個(gè)無(wú)缺陷或有縱向表面裂紋的不銹鋼彎頭在內壓或平面內彎矩(張開(kāi)模式)的作用下的載荷—位移曲線(xiàn),確定了含有縱向表面裂紋不銹鋼彎頭的試驗塑性極限載荷。
一、不銹鋼彎頭試件設計及加工
試驗中采用無(wú)縫彎頭的材料是304不銹鋼彎頭,名義外徑D0=89mm,名義壁厚t=5mm,彎曲半徑R0=120mm。從不銹鋼彎頭上沿縱向切下弧段后壓平,按GB6397-86《金屬拉伸試驗試樣》加工成矩形比例試樣,然后按GB228-87《金屬拉伸試驗方法》將試樣放在Instron8032液壓伺服材料試驗機上進(jìn)行拉伸,由記錄儀自動(dòng)記錄載荷—應變曲線(xiàn),由于該材料沒(méi)有明顯的屈服平臺,所以采用條件屈服強度σ0.2作為材料的屈服強度,并取材料屈服強度σ0.2和抗拉強度σu的平均值作為材料流變應力σf。測得的不銹鋼彎頭流變應力為426.39MPa,延伸率為21.85%。表1中給出的是不銹鋼彎頭的實(shí)測尺寸。試件包括含有表面裂紋不銹鋼彎頭和無(wú)缺陷不銹鋼彎頭。等效后的裂紋長(cháng)度及載荷類(lèi)型如表所示。其中表面裂紋是用薄銑刀在臥式銑床上加工成的,如圖所示。為了測內壓作用下不銹鋼彎頭的塑性極限載荷,同時(shí)考慮可多次使用又可避免邊緣效應對不銹鋼彎頭試件的影響,設計了承受內壓載荷的不銹鋼彎頭測試組件,如圖2所示。圖3為用于不銹鋼彎頭試件B4-B8的加載組件圖,由于與不銹鋼彎頭相連的直管長(cháng)度大于3倍的管徑,所以可近似認為不銹鋼彎頭受到張開(kāi)模式的平面內純彎矩作用,測出的是含裂紋不銹鋼彎頭的塑性極限彎矩。
二、試驗方法
1. 內壓試驗
在測定塑性極限壓力時(shí),油泵產(chǎn)生的壓力由安裝在油路中的壓力傳感器測量,變化V由液位傳感器測得,得到壓力—體積變化(p-ΔV)曲線(xiàn)。當不銹鋼彎頭試件上含表面裂紋時(shí),在裂紋兩邊安裝夾式引伸計,由函數記錄儀自動(dòng)記錄,得到壓力—裂紋嘴張開(kāi)位移。然后按JB4732-2005的二倍彈性斜率法,根據壓力—體積變化曲線(xiàn)和壓力—裂紋嘴張開(kāi)位移曲線(xiàn)確定無(wú)缺陷和有缺陷不銹鋼彎頭的極限壓力。
2. 平面內彎矩試驗
張開(kāi)模式平面內彎矩作用下不銹鋼彎頭的測試在In-stron液壓伺服試驗機上完成,由試驗機的記錄裝置自動(dòng)記錄載荷—加載點(diǎn)位移(F-Δ)曲線(xiàn)或載荷-裂紋嘴張開(kāi)位移(F-CMOD)曲線(xiàn),同時(shí)在試驗過(guò)程中用游標卡尺測量一定載荷下不銹鋼彎頭中截面(45°處)的直徑變化,得到其載荷—橢圓度(F-α)曲線(xiàn)。橢圓度α由式(1)表示:α=D2-D1Dn(1)式中,Dn為不銹鋼彎頭的名義直徑,D1、D2分別為最小直徑和最大直徑,分別為不銹鋼彎頭中截面幾何中性線(xiàn)之間的直徑和內外拱線(xiàn)之間的直徑。由二倍彈性斜率法從載荷—加載點(diǎn)位移(F-Δ)曲線(xiàn)或載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移(F-CMOD)曲線(xiàn)中即可確定試驗塑性極限載荷,試驗塑性極限彎矩等于塑性極限載荷與加載點(diǎn)到不銹鋼彎頭的水平距離的乘積。
三、試驗結果與分析
1. 內壓作用下的不銹鋼彎頭極限載荷
圖為無(wú)缺陷不銹鋼彎頭試件B1在內壓載荷作用下的壓力—體積變化(p-ΔV)曲線(xiàn),當壓力比較低時(shí),壓力與體積變化呈線(xiàn)彈性關(guān)系,隨著(zhù)壓力的升高,不銹鋼彎頭進(jìn)入塑性強化階段,沒(méi)有明顯的屈服階段,與不銹鋼彎頭拉伸試樣所表現出的性能基本相同。當壓力達到爆破壓力,在不銹鋼彎頭內拱線(xiàn)處發(fā)生縱向方向的破裂,如圖5所示。這是由于不銹鋼彎頭內拱線(xiàn)處的周向應力最大,所以在常溫內壓爆破試驗時(shí),在不銹鋼彎頭內拱線(xiàn)處發(fā)生縱向破裂而失效,這與文獻[9]的試驗結果是一致的。根據測得的p-ΔV曲線(xiàn),實(shí)驗確定的試驗塑性極限壓力與按Mises理論得到的分析值比較見(jiàn)表2,顯然實(shí)測值接近于與理論分析值,兩者的相對誤差為6.7%。
不銹鋼彎頭試件B2、B3在內拱線(xiàn)處含不同長(cháng)度的表面裂紋(裂紋深度相同),在內壓載荷作用下,變形主要集中在裂紋韌帶處。從圖6所示的壓力—裂紋嘴張開(kāi)位移(p-CMOD)曲線(xiàn)可以看出,當壓力比較小時(shí),裂紋張開(kāi)嘴張開(kāi)位移隨著(zhù)壓力增加而線(xiàn)性增加,隨著(zhù)壓力的進(jìn)一步增大,裂紋張開(kāi)嘴位移與壓力不再呈線(xiàn)性關(guān)系,而是進(jìn)入非線(xiàn)性塑性變形階段,裂紋前沿韌帶發(fā)生塑性變形。隨著(zhù)壓力的繼續增大,發(fā)生裂紋前沿韌帶的撕裂穿透,顯然不銹鋼彎頭的破裂壓力要稍高于塑性極限壓力。這也說(shuō)明在工程中使用限制外載荷不高于塑性極限載荷的方法是保守的,但這樣可以保證含缺陷管道安全仍能安全使用。B2和B3試件對應的試驗塑性極限壓力與文獻分析值比較見(jiàn)表中。從比較結果看,試驗塑性極限壓力與理論分析值接近。
2. 平面內彎矩作用下不銹鋼彎頭塑性極限彎矩
a. 無(wú)缺陷不銹鋼彎頭
在受到張開(kāi)模式的平面內彎矩作用時(shí),圖為無(wú)缺陷不銹鋼彎頭B4試件的載荷—加載點(diǎn)位移(F-Δ)曲線(xiàn)。加載過(guò)程中不銹鋼彎頭的橫截面由圓形變?yōu)闄E圓形,90°不銹鋼彎頭的中截面變形最大,其變形示意圖和載荷F-橢圓度α曲線(xiàn)由圖給出。從圖中可以看出:不銹鋼彎頭的F-Δ曲線(xiàn)和F-α曲線(xiàn)呈現出相同的規律,即當載荷不大時(shí),加載點(diǎn)位移Δ和橢圓度α與外載荷F保持線(xiàn)性關(guān)系,隨著(zhù)外載的繼續增大而變成非線(xiàn)性關(guān)系。由于外載荷產(chǎn)生一個(gè)背離中性軸的力分量,使橫截面變形后的抗彎慣性矩增大,從而彎曲阻力增大,所以在不銹鋼彎頭塑性階段加載點(diǎn)位移和橢圓度一直隨著(zhù)外載的增大而增大。但當外載達到塑性極限載荷26.16kN(彎矩7.33kN·m)時(shí),不銹鋼彎頭的橢圓度并不大,試驗測定值為7.8%。
無(wú)缺陷彎管的理論極限彎矩可用Kitching提出的方法計算,從圖9中可以看出B4實(shí)測結果要稍大于理論值,這是因為Kitching方法是基于小變形,未考慮不銹鋼彎頭橢圓度的影響。但由于在達到塑性極限載荷時(shí)不銹鋼彎頭的橢圓度不大,所以考慮或忽略橢圓度影響所帶來(lái)的誤差也不大。
b. 含縱向表面裂紋不銹鋼彎頭
為了真實(shí)地反映含表面裂紋不銹鋼彎頭的塑性極限載荷,在試驗過(guò)程中記錄了不銹鋼彎頭試件B5至B8,在受到張開(kāi)模式平面內彎矩作用時(shí)的載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移(F-CMOD)曲線(xiàn),試驗塑性極限彎矩見(jiàn)圖9。為了便于對比分析,圖給出了試件B5和B7的裂紋中心附近不銹鋼彎頭的橫截面載荷F-橢圓度曲線(xiàn)及F-CMOD曲線(xiàn)。
從圖中可以看出在張開(kāi)模式的平面內彎矩作用下,內拱線(xiàn)和外拱線(xiàn)處含表面裂紋的不銹鋼彎頭橫截面變形規律與相同受載條件下無(wú)缺陷不銹鋼彎頭相同,即幾何中性線(xiàn)之間的直徑變小,內外拱線(xiàn)之間的直徑變大。從測試結果看,含表面裂紋的不銹鋼彎頭試件達到塑性極限載荷時(shí)橢圓度不大,為6%~7%。從圖中可見(jiàn)試驗塑性極限彎矩與理論值接近,但由于理論值沒(méi)有考慮不銹鋼彎頭變形時(shí)的彎曲阻力增大,所以實(shí)測值比理論值稍偏大也是合理的。
四、結論
浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對8個(gè)無(wú)缺陷或有缺陷Φ89mm×5mm的不銹鋼彎頭試樣的內壓或平面內彎矩試驗,根據測試曲線(xiàn)和相關(guān)規范確定了每個(gè)不銹鋼彎頭試件的塑性極限載荷,主要結論有:①含缺陷不銹鋼彎頭的試驗塑性極限載荷比無(wú)缺陷不銹鋼彎頭的小,說(shuō)明裂紋的存在會(huì )降低不銹鋼彎頭的承載能力,承載能力的降低程度與裂紋的長(cháng)度、深度及位置有關(guān);②內壓作用下無(wú)缺陷不銹鋼彎頭的失效位置是在內拱線(xiàn)處縱向方向,并且試驗塑性極限壓力和理論值很接近,理論略偏保守。③張開(kāi)模式的平面內彎矩作用下的無(wú)缺陷不銹鋼彎頭和含缺陷不銹鋼彎頭的試驗塑性極限彎矩比基于小變形分析得到的理論值偏大(誤差≤15%),通過(guò)試驗說(shuō)明了在工程上應用小變形分析進(jìn)行塑性極限彎矩預測也是可行的。
