循环大塑性应变下含环焊缝高强度管道的断裂评定方法研究

石油天然气管线安装和服役中的偶然载荷、地震载荷及土层运动等地质灾害，会使管道承受大的塑性变形（预应变），且可能是反复的大塑性变形（循环应变）。预应变会引起材料变形能力和断裂韧性的下降，甚至改变材料局部的断裂机理和断裂模式，特别是管道中环焊缝区域的局部应变集中和焊接缺陷的存在，使焊接接头成为薄弱环节。循环应变下管道的缺陷断裂失效形式包括延性撕裂、延性裂纹扩展后的失稳断裂和直接的脆性断裂，严重威胁管线的服役安全。本课题针对循环大塑性应变条件下的含环焊缝高强度管道，基于断裂力学和损伤力学方法，借助试验技术和数值模拟技术，充分考虑焊接接头的非均质特性、裂尖拘束水平以及预应变对材料断裂韧性的影响，建立系统的基于应变的断裂评定方法，能够根据预应变历史正确预测管道的局部断裂模式，并可由实验室小试样试验结果定量地评定循环应变下管道的脆性断裂和延性断裂行为，为管道设计和结构完整性评定提供可靠的理论和方法。

石油天然气管线安装和服役中的偶然载荷、地震载荷及土层运动等地质灾害，会使管道承受大的塑性变形（预应变），且可能是反复的大塑性变形（循环应变）。预应变的产生会引起材料变形能力和断裂韧性的下降，甚至改变材料局部的断裂机理和断裂模式，特别是管道中环焊缝区域的局部应变集中和焊接缺陷的存在，使焊接接头成为薄弱环节。此外，环境温度也严重影响着管线的力学性能和使用性能。针对这两种影响因素，本研究系统研究了温度和塑性预应变对管线钢材母材及其焊接接头力学性能及其断裂韧度的影响，并基于局部法对其断裂行为进行了预测。首先根据冲击试验结果得出X80管线钢的韧-脆转变温度区间。然后对其原材料和预应变材料分别进行了不同温度下的拉伸试验。试验结果表明，钢材的屈服强度和抗拉强度随着温度的降低而增大，塑性随着温度的降低而减小；拉预应变因工作硬化提高了钢材的屈服强度与抗拉强度，而压预应变因包申格效应降低了钢材的屈服强度与抗拉强度，但两者都降低了钢材的塑性。此外，无论是拉预应变还是压预应变对屈服强度的影响程度更大。利用标准三点弯曲试样测试了X80管线钢母材及其焊接接头原材料和预应变材料在不同温度下的断裂韧度。试验结果表明，温度对钢材的断裂韧度具有显著影响，其随着温度的降低显著减小，断裂形式也由延性断裂向脆性断裂转变；无论是拉预应变还是压预应变都降低了钢材的断裂韧度，进一步引起钢材断裂形式的转变。此外，本文并对不同断裂方式下的试样断口形貌进行了分析。通过有限元数值模拟分析发现，温度和预应变对试样断裂时裂纹尖端区域应力应变场的增大作用促进了材料的脆性断裂，即弹塑性材料的断裂主要取决于裂纹尖端的应力应变场及其微观断裂过程。本研究将局部法应用于管线钢预应变材料的断裂行为研究。研究发现，不同温度下的原材料试样和预应变材料试样发生断裂时，在相同断裂概率下的威布尔应力基本相同，并基于局部法理论由原材料试样的试验结果成功预测了不同温度下预应变试样的断裂韧度概率分布。