在役管道材料的低周疲劳性能测试

198
实 验 室 研 究 与 探 索
第 26卷
3 应变 2寿命曲线公式的确定
描述材料低周疲劳的应变 2寿命的 M anson2Coffin
公式可以表示为 :
Δε t
=Δεe
+Δεp
=σf′( 2N
E
f
)
b
+εf′( 2N f ) c
(1)
其中 ,σf′为疲劳强度系数 , b为疲劳强度指数 ,εf′为疲 劳延性系数 , c为疲劳延性指数. 这四个参数均为材料
疲劳研究领域包括高周疲劳和低周疲劳 [ 2, 3 ] 。一 般高周疲劳破断次数 N f > 105 ,低周疲劳破坏次数 N f
< 105 。高周疲劳常常又叫做“弹性疲劳 ”或“应力疲 劳 ”,而低周疲劳又称为“塑性疲劳 ”或“应变疲劳 ”,低 周疲劳循环中 ,材料所受的应力接近或超过屈服极限 。 从材料的拉伸曲线上可以看到 ,在屈服点附近应力值 稍有改变 ,应变的波动很大 。
近年来 ,在我国一些地区的输油管道上打孔盗油 活动频繁发生 ,其危害之大 、影响之广 ,前所未有 。据 统计 ,某输油管线 2000 年至 2004 年 9 月 15 日 ,发生 打孔盗油案件至少 1 192次 ,造成管线停输达 463次 。 由于管线的频繁停输 、启动 ,增加了管道疲劳失效的可 能性 [ 1 ] 。
四个参数即为塑性线和弹性线的斜率和在纵轴上的截
距。
经过拟合 ,材料的应变 2寿命曲线如图 5所示 :
图 5 材料的应变 2寿命曲线 Fig. 5 The Strain2fatigue life curve of the material
4 管道低周疲劳寿命估算
根据管材的低周疲劳试验结果 ,可估算该输油管 道的疲劳寿命 。图 2 和图 3 中 ,两个试件的应力幅在 循环次数 13 000处开始下滑 ,因此可以将 13 000次作 为该管道材料的低周疲劳寿命 。根据对该管线近 5年 操作压力历程的雨流计数分析 [ 5, 6 ] ,得出的该输油管 道压力的年循环次数平均为 265 次 ,可以估算管道的 低周疲劳寿命为 13 000 /265 = 49 (年 ) 。考虑到上述 低周疲劳试验测试是在对称循环下得到的 ,即一个循 环中包含载荷的两次反向 ,而管道实际应力随压力的 变化不可能取负值 ,上述估算应该是保守的 。
2. China University of Petroleum , Changp ing B eijing, China)
Abstract: Low cyclic fatigue experiments were conducted for X60 in petroleum transm ission p ipeline in service. Strain2 cycle curve was fit and p ipeline fatigue life was evaluated from the experiment. The study may be used as reference for the safety m aintenance of the petroleum transm ission p ipeline. Key words: p ipeline; low2cyclic fatigue; experiment; remaining life CLC num ber: TE973; O348. 3 D ocum en t code: A Article ID : 1006 - 7167 (2007) 11 - 0196 - 03
/M Pa
1 080. 838 5
表 3 试件 C的常规机械性能参数 Table 3 The general mechanical p roperties of specimen C
真实断裂延性
ε f
断面收缩率 ψ/ %
强度极限
σ b
/M
Pa
0. 928 6
60. 49
600
弹性模量 E /MPa 190 000
图 2 试件 A部分滞后环 Fig. 2 The partial lagging ring of specimen A
图 3 试件 B部分滞后环 Fig. 3 The partial lagging ring of specimen B
图 1 试件循环次数 2应力幅曲线 Fig. 1 The circulation frequency2stress curve of specimens
第 11期
李亚平 ,等 :在役管道材料的低周疲劳性能测试
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表 1 试件横截面尺寸 Table 1 Cross2section size of spec im en s
尺寸
试件 A
试件 B
试件 C
厚度 /mm
7. 94
7. 6
7. 26
宽度 /mm
15. 62
15. 68
16. 96
213 滞后环 图 2、图 3所示为试件 A、B 的部分滞后环 ,从图中
试件取自于某在役输油管道 ,管道的材质为 X60, 其主要化学成分为 01079% C, 01939%M n, 01275% Si, 01001 4% S, 01004 4% P, 01005 2% N。管 道 规 格 为 (711 mm ×10 mm。该管线的最大操作压力 612 M Pa, 最高运行温度 50 ℃。试件均采用漏斗型试件 [ 4 ] ,三 个试件的横截面尺寸如表 1所示 : 试验在 M TS810125液压伺服材料试验机上进行 , 试验采用正弦波恒应变幅循环加载 。应变幅 : 013% ; 平均应变 : 0; 加载频率 : 1 Hz。试验温度与环境为室 温 、空气介质 。
214 试样裂纹外貌 图 4为两个试样实验后的外貌 ,在经历较大应变
幅的交变载荷后 ,试件表面因疲劳损伤而出现裂纹 。 215 单调拉伸试验结果
表 3为单调拉伸试验中试件 C的常规机械性能 参数 。
图 4 试样裂纹外貌 Fig. 4 Fracture of specimens
试件 C真实断裂强度 Nhomakorabeaσ f寿命曲线 。在试样来源较少的情况下 ,则可以使用材
料的单调拉伸机械性能参数对 M anson2Coffin 公式进
行估算
。σf
,
ε f
,
σ b
,
等四个
常规机
械
参数值
如表
3所
示 ,将其代入公式则得 M anson2Coffin 公式中各参数
值 ,如表 4所示 :
表 4 M an son2Coff in公式参数
Δε t
= 0.
005
98 ( 2N f )
- 0. 124 6
+ 0.
429
3 ( 2N f )
- 0. 560 8
(3)
M anson2Coffin公式是一个经验公式 ,通过单调拉
伸的静力参数来估算材料的应变疲劳参数 。该公式假
定在双对数坐标系下 ,应变范围的弹性分量和塑性分
量与疲劳寿命均成直线关系 ,则 M anson2Coffin公式的
5 结 论
(1) 由低周疲劳试验可以看出 ,循环周次 13 000 处开始下滑 ,在循环周次 14 000处达到循环稳定时应 力幅的 80% ,且表现为循环软化现象 。
(2) 通过单调拉伸的静力参数估算了管道材料的 应变疲劳参数 ,并拟合得到该管道材料的应变 2寿命曲 线公式 。
(3) 依据管道材料的疲劳试验结果 ,估算了该输 油管道的疲劳寿命 ,为该管线的安全维护提供了依据 。
σ 1 - 81. 8 b
E
σ 0. 179
-
1 3
f
σ b
(2 - d) 其中 ,σf - 真实断裂强度 ,εf - 真实断裂延性 ,σb - 强 度极限 , E - 弹性模量 。
对于材料的应变 2寿命曲线 ,需要进行多组试样的
测定 ,最后通过拟合得出其 M anson2Coffin公式和应变 2
坏是可能的 。 为了解输油管道低周疲劳的可能性并预测输油管
道的疲劳寿命 ,本文试验测试了某在役管道管材低周 疲劳强度 。在低周疲劳实验中 ,材料的应力会随循环 次数的增加而出现上升或下降的趋势 ,即表现为材料 的循环硬化或循环软化 ,该实验即通过此项指标来估 算该材料的循环累积性能 。
1 实验过程
A
194 332. 785 5
196 176. 391 0
B
179 058. 903 1
188 566. 527 5
212 应力幅随循环次数变化关系 图 1所示为试件 A、B 在 013%应变幅下应力幅随
循环次数的变化关系 。从图中可以看出 ,在恒应变幅 循环下 ,试件 A 和试件 B 的应力幅在循环周次 13 000 处开始下滑 ,在循环周次 14 000处达到循环稳定时应 力幅的 80%。材料表现为循环软化 。
参考文献 ( References) :
[ 1 ] 潘家华. 油气管道断裂力学分析 [M ]. 北京 : 石油工业出版社 , 1989.
[ 2 ] 傅祥炯. 结构疲劳与断裂 [M ]. 西安 : 西北工业大学出版社 , 1995.
[ 3 ] 曾春华. 邹十践. 疲劳分析方法及应用 [M ]. 北京 :国防工业出 版社 , 1991.
Table 4 Param eters of M an son2Coff in equa tion
断裂强度系数 σf′
断裂强度指数 b
断裂延性系数 εf′
断裂延性指数 C
1 136. 65
- 0. 124 6
0. 429 3
- 0. 560 8
故材料的 M anson2Coffin公式表示为 :