水壓試驗對受壓構件影響的解釋
水壓試驗對受壓構件影響的解釋
摘要：天然氣、輸油構筑物施工安裝后，必須在安裝前和調試期間定期進行水壓試驗。這些水壓試驗可分為兩類：阻力試驗和防漏試驗。過載的應用是一個壯觀的現象，可以作為測試在壓力下工作的部件的例子。這是一種破壞性的控制方法。如果管道中存在與驗證試驗相關的關鍵故障，則后者將被破壞。如果沒有，則低于臨界值的缺陷將由于過載的影響而減緩甚至消除疲勞擴展。采用二維有限元方法分析了變幅加載條件下裂紋管的塑性閉合現象。為了準確地捕捉這一過程，所采用的材料模型的選擇是非常重要的，因此本文考慮了具有各向同性硬化和非線性運動硬化的Lemaitre-Chaboche模型。研究表明，采用該模型可以獲得顯著的結果。
1介紹
在工業結構中，壓力容器和更普遍的金屬結構是幾十年來的主要研究課題。它主要涉及損傷模式和相關載荷類型的識別。為確保大型結構和工業部件的完整性，必須考慮缺陷的存在，并確定由于這些缺陷的存在而產生、擴展和停止裂紋的條件[1]。在工業部門，管道已被用作最經濟、最安全的石油和天然氣運輸工具。然而，隨著其使用量的增加，事故數量大大增加。因此，管道是工業結構的組成部分，其損壞會給人的生命和生態環境帶來風險，與經營損失有關，通常會造成相當大的經濟損失。
出于明顯的安全原因，壓力設備中存在裂紋需要精確地知道其損壞程度。當裂紋在循環荷載下擴展時，快速評估這種損傷程度的演變，更具體地說是裂紋結構的剩余壽命。對管道或圓柱形管道事故的檢驗表明，在某些情況下，傳統的阻力計算方法不能給出可靠的尺寸標注。
在許多應用中，只需施加比其工作壓力更高的液壓即可對壓力容器進行測試。如果在等于兩倍工作壓力的壓力下未發生失效，則在正常工作條件下，應力最多等于斷裂應力的一半。如果在水壓試驗過程中確實發生了破裂，則不會有人受傷，因為儲存在加壓水中的能量很低。管道的定期測試至關重要，因為裂紋會隨著疲勞、腐蝕、疲勞腐蝕等而增長。這一過程的安全性主要源于這樣一個事實，即在這種應用類型中，裂紋往往增長緩慢。
本文報道了對兩個延性材料管試件進行疲勞模擬的結果。在循環載荷作用下，解釋了尖端附近的裂紋閉合。為了解釋觀測結果，本研究采用了具有各向同性硬化和非線性運動硬化的Lemaitre-Chaboche模型。
2循環荷載作用下的建模行為
本節中建模的材料為API-X60微合金鋼，用于碳氫化合物和天然氣運輸行業[2]和AISI304L不銹鋼，具有跳閘效應（相變誘導塑性），廣泛用于核工業。對這種材料的循環行為的研究表明，在施加應力試驗期間，這種材料具有非常顯著的鮑辛格效應，即循環硬化或軟化，以及產生未滅菌應變的滯后約束環。這種現象通常被稱為羅切效應。為了模擬這類材料的行為，我們使用了一個模型，該模型考慮了包申格效應和羅切效應。我們分析了Chaboche和Lemaitre[8]提出的循環行為的不同模型。結果表明，為了考慮這兩種現象，有必要采用各向同性硬化和非線性運動硬化耦合的模型。
我們使用各向同性硬化和運動非線性的彈塑性行為定律。該定律由LemaitreChaboche開發，基于經典塑性方案。材料荷載面由一個荷載函數描述，該荷載函數取決于應力張量、材料的彈性極限σ、各向同性硬化變量R和非線性運動硬化變量X。荷載函數采用Von Mises準則編寫如下：
其中J是約束偏離子的第二不變量。
各向同性硬化變量R隨累積塑性變形速率增加而增大，其演化規律為：
b和Q是各向同性硬化參數，取決于材料。ε?eq pis等效塑性變形率（累積）。
非線性運動硬化變量包含在張量X中；其演變由以下關系式描述：
C和γ是材料的參數，ε?p是塑性應變率張量。
描述彈塑性本構定律材料的關系是從先前的關系式中推導出來的，在單調單軸荷載的情況下表示如下：
圖1牽引壓縮中的Rochet效應
表1行為定律的參數
在拉伸壓縮試驗的情況下，當最大和最小應力Δσ=σmax?σminis的變化大于2R時，就會發生變形（Rochet效應）（圖1）。
Rochet的變形表示如下：
模型參數：b、Q、C、γ已經確定了材料。它們的值以及楊氏模量、泊松比和彈性極限值如表1所示。
3模型的實施
上述模型已在Abacus/標準有限元程序中實現。實現工作分兩步進行：第一步，用二維單元CPE4實現了彈塑性-各向同性硬化和非線性運動學本構關系。在第二步中，我們對一根管子進行了循環載荷模擬。這些模擬使我們能夠模擬靜水壓力。
管的一部分用于模擬循環荷載（圖2）。該試管的外徑為De，厚度為t，預裂后的韌帶長度為t-a，約為0.4 a t。本節中提到的所有數值模擬中使用的模擬管（De=219 mm，t=12.7 mm和a=5.08 mm）如圖2所示。計算是在二維中進行的，由于假設的對稱性，只有一半的樣本被建模。
實現了一個結構化網格，并逐步加密到裂紋尖端。大多數試件試驗中使用的單元為四邊形CPE8R（一種8節點雙二次平面應變四邊形，約化積分）；除了在精細嚙合零件和另一個密度較低（圖3）的過渡區域，需要使用CPS6M型元件（一個6節點修正的二次平面應變三角形）來連接。使用相同尺寸的四邊形單元（第7側）對以裂紋尖端為中心的長度為1mm、高度為0.5mm的區域進行網格劃分。載荷施加在管子的內表面。對稱和加載條件已應用于試件。從裂紋尖端到試管底部的一個區域被堵塞（沒有垂直位移，也沒有繞垂直于房間的軸線旋轉）。所有這些條件如圖3所示。
4循環荷載下的模擬結果
4.1振幅恒定
在本研究中進行的有限元計算使用了在對速度開裂進行收斂計算后獲得的寬度為7μm的單元（圖4）；即網格尺寸減小到該速度穩定為止。、
我們在等幅循環荷載下進行了幾次模擬。圖5是根據位于裂紋尖端的單元在加載方向上的總變形表示的約束，圖6顯示了20個循環后裂紋尖端的Von Mises應力。
圖2算盤模擬網格管的零件（1/4）
圖3網格表示，邊界條件和載荷
圖4裂紋尖端單元尺寸
圖7a顯示了API X60管子在12個循環載荷（振幅為6 MPa）的作用下，裂紋端部第1、2和10個元件的變形振幅的變化。
圖7b顯示了響應穩定后，裂紋末端下游變形（塑性和總變形）分布示例。這個例子代表了所進行的數值結果，其中觀察到只有靠近裂紋尖端的四個單元的變形對計算開裂率有顯著貢獻，AISI 304 L管的情況。
4.2變幅
恒幅和變幅載荷下的力學行為預測之間存在根本區別。在文獻中，我們發現許多關于變幅載荷對疲勞裂紋擴展影響的研究。我們在這里討論一些實驗觀察到的現象。
當以恒定振幅對疲勞結構施加單位超載時（圖8），超載的影響，與我們可以想象的相反，是有益的。過載延遲裂紋的擴展（圖。10和11）。施加過載后觀察到的延遲現象在文獻中是眾所周知的，并且是許多著作的主題[9,16]。例如，在對在壓力下工作的部件（鍋爐、管道等）進行試驗時，可以利用這種壯觀的現象。
這種破壞性控制方法包括對結構施加過載。如果結構中存在與試驗相關的關鍵故障，則后者將被破壞。否則，在臨界載荷作用下，結構不會發生斷裂，在超載作用下，疲勞會減緩甚至消除缺陷。
圖5AISI 304 L管在6 MPa荷載下的應力-應變循環
圖6在AISI 304 L管的情況下，20個循環后裂紋尖端的Von Mises應力表示
圖7a：API-X60管情況下，裂紋端部構件變形振幅的變化。b：在AISI 304 L管的情況下，裂紋末端構件變形振幅的變化
圖8過載的定義
5解釋
當疲勞裂紋擴展時，在其末端產生一個塑性區。如果裂紋繼續擴展，它周圍會有塑性尾跡。因此，在一個加載循環中，材料的彈性放電在塑性尾跡上產生壓應力：這種閉合現象是由層壓引起的。Elber是第一個在放電過程中，當標稱應力還不為零時，觀察到裂紋的過早接觸唇。在整個循環的底部，裂縫保持閉合。因此，當試樣通常處于拉伸狀態時，裂紋可以保持閉合狀態，直到出現稱為張開約束σop的應力（圖9）。由于應力強度沒有傳遞到裂紋的末端，因此后者保持閉合。實際（有效）影響擴展的應力Δσeff的振幅定義為：
裂紋閉合對擴展曲線的影響轉化為應力強度因子振幅ΔK=Kmax?Kmin的降低。只有振幅ΔKeff=Kmax?Kopis實際傳輸到裂紋末端。
圖10和11分別顯示了最大損傷試件中法向應力σ22隨法向變形ε22的演變。約束值和變形值隨著過載的應用而變化，然后從第24個加載周期開始迅速穩定。
結果表明，過載使最大法向應力顯著降低，從1715MPa降至1660MPa。另一方面，約束法向壓縮的絕對值從1427mpa增加到1732mpa。變形法向Δε22的振幅也略有增加。材料在第一個循環荷載下塑化，第20個循環的超載再次導致相當顯著的塑化，隨后在其他循環中發生塑性調節。
過載的引入會導致預期壽命延長。因此，過載是有益的，因為它通過引入殘余壓縮應力延遲疲勞裂紋的萌生，從而提高管壁的疲勞強度。
隨著時間的推移，管道通常會受到可變機械載荷的疲勞現象。為了預測結構的壽命，最好是說變幅，因為通常尺寸計算是通過考慮代表所研究結構壽命的加載序列來進行的。
恒載幅和變載幅下疲勞擴展的預測存在根本性差異。對于等幅加載，擴展增量取決于裂紋長度和外加載荷。對于變幅加載，擴展增量進一步取決于裂紋承受的載荷歷史。過載的應用是一種引人注目的現象，可用于測試在壓力下工作的部件（鍋爐，管道等）。這種破壞性控制方法包括對結構施加過載。如果管道中存在與試驗相關的關鍵缺陷，則后者將被破壞。否則，亞臨界缺陷將因過載效應而減緩甚至消除其隨后的疲勞擴展。
單次過載變幅載荷對疲勞壽命和疲勞裂紋擴展速率有很大影響。隨著單次過載比的增大，疲勞壽命增加，疲勞裂紋擴展速率降低。
圖9塑性引起閉合現象的示意圖
圖10施加超載前后，最大荷載構件的變形演變
圖11應力-應變曲線反映了超載的影響
轉載請注明精川材料檢測地址：www.ahmedelazab.com
