1、第2，卷第7期2007年7月北京科技大学学报JournalofUniversityofsclen伙andTechnol吃yBeUingVol.29N0。7Jul.2007不同应力比交替作用下单参数疲劳寿命预测方法阮景红路民旭陈迎锋北京科技大学腐蚀与防护中心，北京100083摘要为了准确预测管道在不同应力比交替作用下的剩余寿命，在疲劳裂纹扩展速率实验的基础上，建立了一种新的含缺陷管道剩余寿命预测方法，即不同应力比交替作用下单参数疲劳寿命预测方法.该方法全面考虑了管线运行过程中不同应力比交替作用引起的破坏.以X52管线钢为例，通过模拟天然气实际运行情况(R=0.1和R二0.6交替作用)预测了其剩余
2、寿命.关钮词管线钢;金属疲劳;疲劳裂纹扩展速率;剩余寿命;寿命预测分类号TGlll.8;U179.8我国现役油气输送管线中，有许多管道由于制管质量和现场焊接质量不佳，存在焊接缺陷(如未熔合、未焊透等)，在波动的输送压力作用下，焊接缺陷会造成管道疲劳破坏.在已颁布的适用性评价标准中，对于管道疲劳寿命预测，目前的标准如Bs7910、cEGBR62、P伪493、”15794是利用弹塑性断裂力学方法，裂纹的扩展由裂纹尖端应力强度因子控制.很多文献中已经对管线钢的疲劳特性以及基于疲劳特性的剩余寿命预测作了阐述，但是还没有结合输气管线的实际情况从疲劳特性来预测管线钢的剩余寿命.文献中计算只考虑了停输及管线
3、失效(泄漏或爆裂)等情况下的压力波动(即应力比R=0.1)对管线疲劳寿命的影响5，或者仅考虑了管线中频繁发生的小的压力波动(R、0.6)对管线疲劳寿命的影响6，而没同时考虑两者共同作用时，压力波动对管线疲劳寿命的影响.本文通过X52管线钢母材的疲劳裂纹扩展实验，研究了X52管线钢不同压力比下的扩展速率和管线钢表面裂纹的疲劳剩余寿命，并探讨服役条件对管线寿命的影响，以期给出一种更符合实际情况的基于疲劳裂纹扩展的不同应力比交替作用下的剩余寿命预测方法.1疲劳寿命预测原理Paris，励mez和Anderson指出7，疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围成幂律关系:轰一C“K”式中，a为裂纹长
4、度;N为交变应力循环次数(1);K为应力强度因子变化幅度(K=Kmax一Kn);c和n为与材料有关的常数，材料的微观组织结构，循环加载的频率和波形、环境、温度及载荷比R对C和n都有影响.R的定义为:R=竺旦鱼=口maxKminKmax(2)李泽震等用16Mn钢板作试件，在不同的拉、弯应力比下进行了表面裂纹疲劳扩展规律的实验研究8，得到如下结果:、，少、.少八j4碑r.、了、轰一C“K”轰一C0K”式中，K。和K分别是表面裂纹最深处及表面处的应力强度因子幅，。是裂缝表面处长度.文献【9的结论说明了表面裂纹主要是在深度方向扩展，在长度方向的扩展量很少.因此，本文主要假设表面裂纹仅在深度方向上有扩展
5、，而长度方向的尺寸保持不变.深度方向上的应力强度因子K。的计算采用Newman一Raju在1979年发表的表面裂纹应力强度计算式”:、一F杆，号，:，*)需(5)收稿日期作者简介2006一3一18修回B期:2006一12一18阮景红(1980一)，女，硕士研究生;路民旭(1954一)，男，教授，博士生导师式中，F，有限厚度为几何修正函数.考虑到裂纹形状比a八，a/t，有限宽度a/w及裂纹角甲等量纲1北京科技大学学报第2，卷的几何参数的影响，F，可进一步写为:尸1_2/_4气 Fs=Ml+MZ粤1一+M3【今)91人几(6)L“t/tlJ户“尹式中，Ml=1.13一0.09(a/。)，M:=一0
6、.54+- J.1了廿.，.、4 J.1 0.890.2+(a/。)M3=0.5一1二，一二二-二一一下一二十0.65+ta/c)碧，。1一卜。.1+0.35(。/)2:(1一sin*)2，、-(/)2一护*+1矛*14，、一(兹俪)“，E*=1+1.464(a八)65/2.因为本文仅考虑深度方向上的扩展，而假定长度方向上没有扩展，所以本文只需要研究表面裂纹最深处(沪二7t/2)的应力强度因子.在实际裂纹中，w。，故有:算应力强度因子幅.从穿透型疲劳裂纹实验(CT试样)得到的疲劳裂纹扩展速率与表面裂纹的深度方向一致，但是应力强度因子幅的计算方法不一样，因此本文采用穿透型疲劳裂纹实验(CT试样)
7、得到疲劳裂纹扩展速率，然后将得到的结果应用于表面裂纹的计算，最后应用式(10)计算得到单参数疲劳预测寿命.91=1+0.1+0.35(a八)2(1一sin甲)“=1几一(。/c)，co护*+51矛*/一1(7)fw一(瓮俪)“一，将上述参数带入式(5)有:二一1.13一黔+一0.54十6万令摆而(。5-而六而+14(卜子2疲劳裂纹扩展速率实验2.1实验装置实验采用德国AMSLER公司生产的AMSLER100HFP500型高频疲劳试验机，最大载荷100kN，最大静载荷100kN，最大动载荷50kN，频率范围60一300Hz，用U形夹具加载，并用15)(JGC)型测量显微镜(士5拌m)直读记录.2
8、.2试样制备材料的疲劳裂纹扩展速率与裂纹面取向和裂纹扩展方向有关，并与材料的厚度有一定关系、由于管道壁厚很薄，不可能按CR方向切取试样，因此只能按CL取向(这里的L表示裂纹扩展方向)在管材上取试样.在母材上截取试样6件，应力比R=0.1和0.6各3件，见图1.焊缝试样1_、4、，了下二二仁卜一一一竺互2一二二竺-.、手)】，1，月月1_1、1.6511/2 ，Li一1。片u，气“IC少(8)目前，主要解决的问题是在交变循环载荷下裂纹的疲劳剩余寿命，因此可以将实际运行情况简化为:载荷块谱由Al个R=0.1的载荷循环和A:个R=0.6的载荷循环组成.忽略高低载荷之间的交互作用，则相对于块数为N的疲
9、劳循环，裂纹扩展速率由下式计算:(CL取向图lda/dN试样位t取向图Flg.IP0sitionorientatlongraPhofada/dNtestsampleda.(da).，da)丽=八(丽)1一八2(丽)2=AICIK了+AZCZK兰，将式(9)进行变换后积分，可得下式:Nf=“一一一一一卫旦-一Ja。AICIK芍+AZCZK签2(9)(10)式中，a。为初始裂纹长度，a。为裂纹扩展的临界长度.将有关参数代入(10)式，经运算后，可得管道疲劳寿命.含缺陷压力管道寿命预测过程中最重要的是计上述弧形试样取下后，直接加工出平板结构，且为含穿透裂纹的标准紧凑拉伸试样(CT试样).试样管道w=
10、50mm，厚度b=10mm;在试样的机械切口出，用铂丝切割出12.smm的裂纹源，试样结构见图2.2.3实验参数采用国产X52无缝钢管，规格为争355mmxismm，钢管母材为a，=399MPa，。b=505MPa.实验载荷范围6一巧kN，载荷比R=0.1和0.6;采用移动式读数显微镜测量裂纹长度，测量精度达到0.01mm;加载波形为正弦波.实验在室温，空气环境中进行.第7期阮景红等:不同应力比交替作用下单参数疲劳寿命预测方法图Zda/dN试样结构ng.ZStructureofada/dNtestsa刃nPle2.4实验步骤(1)预制疲劳裂纹.直接在该装置上预制疲劳裂纹，预制出的疲劳裂纹长度约
11、1.0一1.smm.(2)疲劳裂纹扩展速率实验.在上述实验参数下，保持载荷比R=pmin/plnax不变，即保证了载荷变化幅度尸恒定.记录实验中某一裂纹扩展长度a与对应的循环次数N的数据，即记录下一系列(a，N)(1=0，1，2，3，)数据，直至实验载荷出现急剧下降时，实验结束.根据实验数据，能得到裂纹扩展量与循环次数的关系曲线即a一N曲线如图3(1号试样，R=0.1).关系曲线.对式(1)两边取对数，得:da，。. 19荻一lgC+nlgK(川在双对数标纸上，绘出怒与K数据，用作图法就一“一”朴勺一州一一dN诀一”，“能确定材料常数c和。，或者对19努和19K数据IJ“，“，”朴“”曰“。d
12、N”。一分曰进行线性回归，也能得出材料常数C和n.确定了c和n，也就确定了该材料的疲劳裂纹扩展规律.实验得出的应力比R=0.1和0.6的da/dN一K曲线见图4.州;叹护日日写召32一30一，28-.，日26一护;)._一声一，一厂.厂10210314卜250300350405060400450500550600650循环周次。N/10320尺/(MPa皿.】n一)图3X52管线铜的a一N曲线10书Ll0Fig。4图4x52管线钢的疲劳裂纹扩展速率FatlguecrackgrowthrateofX52Pi详IlnesteelFlg.3a一NcurveofX52Pi讲linesteel2.5结果
13、分析对a一N曲线上的各点求斜率，即可得出各裂纹长度a的裂纹扩展速率(da/dN)，同时由a*也可求出对应的K、，从而得出材料的da/dN与K经过对实验数据的分析处理，得到回归方程如下:粤一2.023又10一，(、)，8，*一0.1(12)dl丫702北京科技大学学报第2，卷其中，取CdadN其中，取C=2.203x10一9，n=2.238.=3.921xl0一9(K)348，尺=0.6(13)=3.92lx10一9，n=3.148.式中，Kl和K:由式(8)计算得(轴向外表面裂纹):.13一鱼丝丝十二一丁人一一:十0.6勺+La/C)与二瓷熬万14(卜子d.J .nU -r!.- 户、一.0一
14、lee|eeJ3x52钢的疲劳寿命预测假设在X52无缝钢管小355mmx18mm管道外表面存在一裂纹，a=Zmm，2。=10mm，运行压力为0.4MPa.以该管线的疲劳寿命预测为例，介绍疲劳寿命预测的具体方法和步骤如下.(1)压力按照每天波动一次计算，对应应力比R二0.6，停输按照每月三次估算，对应应力比R=0.1.即此载荷块谱由1个R=0.1的载荷循环和10个R二0.6的载荷循环组成.(2)测试出R=0.1和尺=0.6疲劳裂纹扩展曲线，结果见式(12)和式(13).(3)根据断裂力学理论，确定管线钢的极限缺陷尺寸ac.在进行疲劳寿命估算时，还应确定疲劳失效的临界条件，以得出最终的疲劳寿命，而
15、这个临界条件不一定是管线中某个裂纹达到疲劳穿透(管道裂纹到达一定深度后会自动引发撕裂穿透);准确地说，当被考察的压力管线各裂纹扩展到一定深度后，如果整体压力管线的可靠性评定结果为不安全可靠，则此时压力管线达到了疲劳失效的临界状态.实际管道的最大壁厚t=18mm，而据安全临界尺寸为最大壁厚1/2的关系，则取a。=gmm.(4)根据缺陷检测结果，取最大缺陷尺寸为初始裂纹深度a。.ao=2(5)设载荷块谱由Al个R二0.1的载荷循环和A:个R=0.6的载荷循环组成(Al二1，A:=10，每个块有11个载荷循环)，忽略高低载荷之间的交互作用，则相对于块数为N的疲劳循环，裂纹扩展速率由下式计算:二，一1
16、(子)2+，。;、。，丫丽上匕1、子)lr，.，、1.6511/2”Ll了1。兮0件、口If声J二2一113卫止黔+一。54+一卫二必匕一.0.2+(a/c)1*2厂(丁)十LU。一一丁共一下十U.6勺+ta/C)1。24门1411一竺】卜 、Cl曰1。、;、。，了妥石1上匕1，、IF，.，月t月Ij、1.6511/2. LLi丫1.件u峥气a/少J六一(器)1+0(器2一ClK;十0c2K呈(14)(6)将式(14)进行变换后积分，可得下式:(7)将有关参数代入式(16)，经运算后，可得管道疲劳寿命为57a.计算中只考虑了停输及管线失效(泄漏或爆裂)等情况下的压力波动(即应力比R=0.1)对
17、管线疲劳寿命的影响和管线中频繁发生的小的压力波动(R、0.6)对管线疲劳寿命的影响，而没有对钢管残余应力、环境温度以及腐蚀等各种情况的影响进行分析.因此，实际管线的疲劳寿命应保留一定的裕度，取安全系数为2，即钢管的安全运行年限为28.sa.4结论(1)模拟管线的实际运行情况，考虑在正常运行和停输维修不同循环载荷的交替作用，可以建立一种不同应力比交替作用下的单参数疲劳剩余寿命预测方法.(2)模拟实际循环载荷运行情况(正常运行R=0.1和停输维修R=0.6)，X52管线钢在应力比R一0.1时裂纹扩展速率粤一2.023x10一， ”一J卜刀卜于dN一-一-一(、)2，8.*一0.6时裂纹扩展速率粤一
18、3.921又“产、”“一J介一扩一dN一-一10一9(K)348.(3)以X52管线钢为例，模拟实际运行情况进行了剩余寿命预测，预测结果为57a;综合考虑土壤、环境的情况，假设安全系数为2，则安全运行年限为28.sa.(15)考文献ljdaa。ClKI，+10C2K呈，将实验数据代入得:Nf=9sda2.o23xlo一K圣，8+llX3.921Xlo一K孟482(16)Britishstandardslnstitute.BS7910:1999GuideonMethodsforAssessingtheAcceptabilityofFlawsinFusionWeldedStructures.Lon
19、don:Britishstandardslnstitution，2000:1Milne，AinsworthRA.DowlingAR，etal.Assessmentoftheint馆rityofstructurescontainingdefects，centralelectricitygener-第7期阮景红等:不同应力比交替作用下单参数疲劳寿命预测方法 703atinglx犯rdre卯rtR/H/R6一Rw3.IntJPress眠ve裂犯lsPiping，1998.32:23Britishstandardslnstitute.BSIPD6493GuidelinesonforAssessment
20、oftheAcceptabilityofFlawsinFusionMethodWeldingLIndon:Britishstandardsinstitute.1991:14StructuresAmericanPetroleumlnstitute.APIRP579ticeforfitness一for一Service.Washi眼tonDC:Institute.2000:1Reco们。mendedPrac-AmericanPetroleum【5蒋云，吕英民.x52管材的疲劳裂纹扩展速率实验研究.油气储运.1999.18(8):526帅健x52管线钢的低循环频率疲劳裂纹扩展实验.焊管，2000，23
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22、nCenter，UniversityofscienceandTechno】ogyBeiji眼，Beiji眼100083，ChinaABSTRACTInordertoaccuratelyPredicttheremaininglifeofagasPiPelinewhichrunsatdifferentstressra-tios，anewmethodofpredicti雌theremaininglifeofflawpipelinesteels，namely，one一parameterfatiguelifePredictionmethod，atdifferentstressratioswasPropo
23、sedbasedonfatiguecrackgrowthratetests.Themethodconsideredthedestructioneffectcreatedbydifferentstressratiosduringtherunning.TheremaininglifeofX52steelasan。xamp1ewaspredictedundertheConditionofsimulatingthenaturegasrunning(R=0.landR=0.6byturns).KEYWORDSPIPelinesteel;metalfatigue;fatiguecrackgrowthrate;remaininglife;lifePrediction
