基于应变的管道环焊缝断裂评估方法研究

Based on the background of China's high-strength pipeline engineering, a strain-based assessment method for the fracture of the girth weld is studied. The true stress-strain curves of base metal and girth weld of high strength pipe are tested by digital image correlation technique, and the fracture toughness is tested by single-edge notched tension specimen. Considering the large-scale yield of the crack tip of the pipeline, the finite element model of ductile tearing for pipe girth welds is established and the fracture response of the pipe is analyzed in order to determine the effect of crack size, material properties, inner pressure and strength matching of the girth weld on the crack driving force. The appropriate parameters for characterizing the constraint level of the crack tip are determined and the relationship between the constraint level of a crack tip and the fracture toughness is established. The pipeline girth weld strain capacity is quantified through the above research. This study not only has important academic value for the development of strain-based fracture assessment methods, but also provides a theoretical reference for solving the technical problems of welding defect tolerance of high-strength pipe weld.

基于我国高强度管道工程应用背景，研究基于应变的管道环焊缝断裂评估方法。采用数字图像相关技术测试高强度管道母材及环焊缝的真应力-应变曲线，采用单边缺口试件测试断裂韧性；考虑裂纹尖端的大范围屈服情况，建立管道韧性撕裂的有限元模型，分析管道的断裂响应，确定裂纹尺寸、材料性能、内压以及环焊缝的强度匹配等对裂纹驱动力的影响；研究确定表征裂纹尖端的约束水平的合适参数，建立约束水平与断裂韧性的关系；通过上述研究，最终达到量化管道环焊缝应变能力的目的。本项研究不仅对发展基于应变的断裂评估方法具有重要的学术价值，而且可以为解决高强度管道环焊缝的现场施工焊接缺陷容限性的技术难题提供理论依据。

油气管道属于典型的焊接结构，焊缝及热影响区不可避免地存在各种形式的焊接缺陷，再加上环焊缝局部存在几何过渡非连续、材料非均质等特性，都使得环焊缝成为油气管道承受外载荷的薄弱环节，特别是对于高钢级管道，更易在环焊缝处发生失效。本项目研究管道环焊缝的力学性能测试、断裂响应、约束校正等，建立基于应变的管道环焊缝断裂评定方法。主要成果包括：（1）建立了基于DIC技术的管道环焊缝局部本构关系测试方法，首次测得X80管道环焊缝局部本构关系，并通过全截面拉伸实验阐释了高钢级管道环焊缝应变集中现象，分析了环焊缝不同区域的应变状态及其演化特征，揭示了X80管道环焊缝的主要失效机理；（2）建立了管道母材和焊缝金属SENT试件的J积分塑性因子，提出了J积分阻力曲线测试的改进的规则化方法，提高了管道环焊缝的断裂韧性测试的准确程度；（3）构建含缺陷X80管道环焊缝数值分析模型，建立了基于应变的失效评定图方法，详细讨论了管道环焊缝应变集中区域、裂纹尖端应变集中系数和应变能力的影响因素，提出了X80管道环焊缝的应变能力估算的半经验公式；（4）分别建立了含中心裂纹及界面裂纹管道环焊缝全尺寸模型，揭示了材料匹配特性对于裂纹扩展过程中的等效塑性应变分布、应力三轴度分布及裂纹扩展路径的影响，确定了内压及匹配特性对环焊缝界面裂纹驱动力的影响，得到了不同条件下管道环焊缝的应变能力；（5）提出了基于约束的断裂失效准则，并研究了屈服平台对裂尖约束及断裂韧性间关系的影响，分析了屈服平台与屈服强度、硬化指数及初始孔洞体积分数等对环焊缝断裂的影响，得到了不同材料参数情况下管道约束与断裂韧性间的定量关系。研究结果可为高钢级管道环焊缝的安全性设计与评估提供理论方法。