浙江至德鋼業(yè)有限公司為了試驗(yàn)研究含面型缺陷不銹鋼彎頭的極限承載能力,設(shè)計(jì)并進(jìn)行了8個(gè)無(wú)縫彎頭試樣在內(nèi)壓和張開(kāi)模式的平面內(nèi)彎矩試驗(yàn),對(duì)其中的無(wú)缺陷和有缺陷不銹鋼彎頭記錄了相應(yīng)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(duì)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(jù)測(cè)試得到的曲線(xiàn)確定了這8個(gè)不銹鋼彎頭試件的試驗(yàn)塑性極限載荷,并將試驗(yàn)結(jié)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(fù)雜,且受到的載荷除了內(nèi)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(yīng)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(duì)含缺陷不銹鋼彎頭進(jìn)行安全評(píng)定,其中的塑性極限載荷是一個(gè)必不可少的重要參量。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)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(duì)內(nèi)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?jī)?nèi)壓或彎矩載荷作用(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(duì)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(yàn)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(duì)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(yàn)研究,Grif-fith[7]試驗(yàn)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(nèi)彎矩作用下的塑性極限載荷。而縱向表面裂紋對(duì)不銹鋼彎頭塑性極限彎矩的影響目前還很少有報(bào)導(dǎo)。本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(nèi)壓或平面內(nèi)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(yàn)塑性極限載荷。
一、不銹鋼彎頭試件設(shè)計(jì)及加工
試驗(yàn)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(yàn)試樣》加工成矩形比例試樣,然后按GB228-87《金屬拉伸試驗(yàn)方法》將試樣放在Instron8032液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸,由記錄儀自動(dòng)記錄載荷—應(yīng)變曲線(xiàn),由于該材料沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái),所以采用條件屈服強(qiáng)度σ0.2作為材料的屈服強(qiáng)度,并取材料屈服強(qiáng)度σ0.2和抗拉強(qiáng)度σu的平均值作為材料流變應(yīng)力σf。測(cè)得的不銹鋼彎頭流變應(yīng)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(cè)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(zhǎng)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(cè)內(nèi)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(yīng)對(duì)不銹鋼彎頭試件的影響,設(shè)計(jì)了承受內(nèi)壓載荷的不銹鋼彎頭測(cè)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(zhǎng)度大于3倍的管徑,所以可近似認(rèn)為不銹鋼彎頭受到張開(kāi)模式的平面內(nèi)純彎矩作用,測(cè)出的是含裂紋不銹鋼彎頭的塑性極限彎矩。
二、試驗(yàn)方法
1. 內(nèi)壓試驗(yàn)
在測(cè)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(cè)量,變化V由液位傳感器測(cè)得,得到壓力—體積變化(p-ΔV)曲線(xiàn)。當(dāng)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(jì),由函數(shù)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(jù)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(nèi)彎矩試驗(yàn)
張開(kāi)模式平面內(nèi)彎矩作用下不銹鋼彎頭的測(cè)試在In-stron液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上完成,由試驗(yàn)機(jī)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(yàn)過(guò)程中用游標(biāo)卡尺測(cè)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(nèi)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(yàn)塑性極限載荷,試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果與分析
1. 內(nèi)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(nèi)壓載荷作用下的壓力—體積變化(p-ΔV)曲線(xiàn),當(dāng)壓力比較低時(shí),壓力與體積變化呈線(xiàn)彈性關(guān)系,隨著壓力的升高,不銹鋼彎頭進(jìn)入塑性強(qiáng)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(xiàn)出的性能基本相同。當(dāng)壓力達(dá)到爆破壓力,在不銹鋼彎頭內(nèi)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(nèi)拱線(xiàn)處的周向應(yīng)力最大,所以在常溫內(nèi)壓爆破試驗(yàn)時(shí),在不銹鋼彎頭內(nèi)拱線(xiàn)處發(fā)生縱向破裂而失效,這與文獻(xiàn)[9]的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。根據(jù)測(cè)得的p-ΔV曲線(xiàn),實(shí)驗(yàn)確定的試驗(yàn)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(cè)值接近于與理論分析值,兩者的相對(duì)誤差為6.7%。
不銹鋼彎頭試件B2、B3在內(nèi)拱線(xiàn)處含不同長(zhǎng)度的表面裂紋(裂紋深度相同),在內(nèi)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(dāng)壓力比較小時(shí),裂紋張開(kāi)嘴張開(kāi)位移隨著壓力增加而線(xiàn)性增加,隨著壓力的進(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。隨著壓力的繼續(xù)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(duì)應(yīng)的試驗(yàn)塑性極限壓力與文獻(xiàn)分析值比較見(jiàn)表中。從比較結(jié)果看,試驗(yàn)塑性極限壓力與理論分析值接近。
2. 平面內(nèi)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(nèi)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(xiàn)出相同的規(guī)律,即當(dāng)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,隨著外載的繼續(xù)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外載的增大而增大。但當(dāng)外載達(dá)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(yàn)測(cè)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(jì)算,從圖9中可以看出B4實(shí)測(cè)結(jié)果要稍大于理論值,這是因?yàn)镵itching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(dá)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(yàn)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(nèi)彎矩作用時(shí)的載荷—裂紋嘴張開(kāi)位移(F-CMOD)曲線(xiàn),試驗(yàn)塑性極限彎矩見(jiàn)圖9。為了便于對(duì)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(nèi)彎矩作用下,內(nèi)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(guī)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(nèi)外拱線(xiàn)之間的直徑變大。從測(cè)試結(jié)果看,含表面裂紋的不銹鋼彎頭試件達(dá)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(yàn)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(cè)值比理論值稍偏大也是合理的。
四、結(jié)論
浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對(duì)8個(gè)無(wú)缺陷或有缺陷Φ89mm×5mm的不銹鋼彎頭試樣的內(nèi)壓或平面內(nèi)彎矩試驗(yàn),根據(jù)測(cè)試曲線(xiàn)和相關(guān)規(guī)范確定了每個(gè)不銹鋼彎頭試件的塑性極限載荷,主要結(jié)論有:①含缺陷不銹鋼彎頭的試驗(yàn)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(zhǎng)度、深度及位置有關(guān);②內(nèi)壓作用下無(wú)缺陷不銹鋼彎頭的失效位置是在內(nèi)拱線(xiàn)處縱向方向,并且試驗(yàn)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(nèi)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(yàn)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(yàn)說(shuō)明了在工程上應(yīng)用小變形分析進(jìn)行塑性極限彎矩預(yù)測(cè)也是可行的。
