（材料加工工程專(zhuān)業(yè)論文）基于bs7910含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的斷裂和疲勞eca評(píng)定研究及軟件開(kāi)發(fā).pdf

摘要 摘要 焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于能源 交通 建筑 化工等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要部門(mén) 中 焊接加工方法的特點(diǎn)決定了生產(chǎn)過(guò)程中在焊接接頭部位出現(xiàn)類(lèi)似裂紋 氣 孔 夾渣 未熔合等不連續(xù)性缺陷及彎曲 扭轉(zhuǎn) 錯(cuò)邊等各種幾何形狀偏差的 可能性 這些缺陷和變形在結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中對(duì)外載作用極為敏感 往往成為引 起應(yīng)力集中 促進(jìn)裂紋擴(kuò)展直至結(jié)構(gòu)最終失效的根源 因此 基于 合于使用 原則對(duì)含缺陷焊接接頭進(jìn)行斷裂及疲勞性能分析和評(píng)價(jià)不僅可優(yōu)化施工過(guò)程 最大限度防止出現(xiàn)缺陷和變形的可能性 而且對(duì)降低生產(chǎn)成本 提高經(jīng)濟(jì)和社 會(huì)效益具有重要意義 斷裂力學(xué)是2 0 世紀(jì)固體力學(xué)重大成就之一 是工程材料與構(gòu)件強(qiáng)度估算和 壽命預(yù)測(cè)的重要理論基礎(chǔ) 基于斷裂力學(xué)原理的一些斷裂參量 平面應(yīng)變斷裂 韌性k i t 和j l c 以及裂紋尖端張口位移臨界值5 i c 和準(zhǔn)則已經(jīng)成為工程材料與 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的重要組成部分 將斷裂力學(xué)理論應(yīng)用于含缺陷結(jié)構(gòu)的失效評(píng)定 已在國(guó)際上形成了一個(gè)分支學(xué)科 涌現(xiàn)出諸如a s 啪e b s ip d 6 4 9 3 w e s 一 2 8 0 5 r 6 及d n v 等知名的通用評(píng)定規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 斷裂力學(xué)理論的發(fā)展促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)缺陷等級(jí)評(píng)定的科學(xué)化 英國(guó)b s ip d 一 6 4 9 3 于2 0 0 0 年頒布了其修訂版 改代號(hào)為b s 7 9 1 0 1 9 9 9 該標(biāo)準(zhǔn)中以失效評(píng) 定圖 f a d 作為防止含缺陷結(jié)構(gòu)發(fā)生彈塑性斷裂的評(píng)定準(zhǔn)則 給出了平板 曲面 管接頭 園棒 栓柱及焊接接頭等結(jié)構(gòu)中含有單個(gè)或多個(gè)表面缺陷 埋 藏缺陷 貫穿缺陷時(shí)的相應(yīng)評(píng)定方法 標(biāo)準(zhǔn)中按所提供的材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù) 的詳細(xì)程度將缺陷評(píng)定劃分為三個(gè)等級(jí) 等級(jí)越高 評(píng)定所需要的力學(xué)性能數(shù) 據(jù)越多 而評(píng)定所得結(jié)果的保守性卻越低 此外 針對(duì)含缺陷結(jié)構(gòu)受循環(huán)載荷 時(shí)的疲勞性能評(píng)定也提出了兩種方法 即通過(guò)對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行積分得到結(jié) 構(gòu)壽命的斷裂力學(xué)疲勞評(píng)定法和依據(jù)含缺陷構(gòu)件實(shí)際的s n 曲線與要求的s n 曲線相比較的質(zhì)量分類(lèi)評(píng)定法 本文在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)缺陷評(píng)定的科技文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上 以b s 7 9 1 0 為基礎(chǔ) 同時(shí)參考1 t 6 s i n t a p 等標(biāo)準(zhǔn) 用v i s u a l b a s i c 6 0 v b 作為開(kāi)發(fā)工 具 以相應(yīng)的算法為手段研制了一套包括缺陷復(fù)合 含缺陷結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞性 能工程臨界評(píng)定 e c a 的應(yīng)用軟件 該軟件不僅人機(jī)交互界面友好 操作簡(jiǎn)單 而且經(jīng)調(diào)試順利通過(guò)具體例證檢驗(yàn) 驗(yàn)證結(jié)果與d n r 評(píng)定結(jié)果相比 誤差均小 于0 1 用所開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)經(jīng)過(guò)正火熱處理 承受1 2 8 噸載荷的球鉸軸進(jìn)行斷裂性 能評(píng)定 選用2 a 級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 并選取應(yīng)力強(qiáng)度因子k 犯作為斷裂評(píng)定參量 通 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 過(guò)有限元分析軟件a n s y s 的結(jié)構(gòu)分析以及熱分析功能 計(jì)算得到了斷裂面上 的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力參數(shù) 通過(guò)分別對(duì)存在于球鉸軸斷裂面上的半橢圓表面裂 紋 環(huán)形表面裂紋的評(píng)定 結(jié)果表明裂紋深度尺寸和熱處理殘余應(yīng)力是導(dǎo)致軸 發(fā)生失穩(wěn)斷裂的主要原因 兩種情況下裂紋深度極限尺寸皆為0 7 1 m m 說(shuō)明當(dāng) 軸的表面一旦存在深度大于0 7 1 r a m 的裂紋時(shí) 該軸即可能發(fā)生斷裂 海底油氣輸送管線是典型的焊接結(jié)構(gòu) 由于海底管線通常處于復(fù)雜的受力 狀態(tài) 重力 各種壓力等靜態(tài)力 機(jī)械振動(dòng) 海水反復(fù)沖擊等動(dòng)態(tài)力 臺(tái)風(fēng)等 不可預(yù)知的外力 和惡劣的周?chē)g性環(huán)境中 大氣腐蝕 海水腐蝕等 因 此 在管線鋪設(shè)階段及隨后的服役過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷和變形 惡劣的受力條件及服役環(huán)境會(huì)促使缺陷擴(kuò)展至管線發(fā)生塌陷 泄漏甚至斷裂事 故 造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和重大的海洋環(huán)境污染事故 因此 對(duì)這類(lèi)焊接結(jié)構(gòu) 的安全性加以正確評(píng)價(jià)是十分必要的 位于中國(guó)渤海灣的旅順至大連間海底外輸管線鋪設(shè)總長(zhǎng)度約5 9 2 公里 最 大水深3 3 米左右 所用材料為a p i 5 l x 5 6 管道外直徑3 2 4 m m 壁厚1 2 7 m m 評(píng)定的目的是通過(guò)分析管線鋪設(shè)階段焊接接頭處缺陷在承受靜態(tài)鋪設(shè)應(yīng)力 動(dòng) 態(tài)循環(huán)應(yīng)力 殘余應(yīng)力等作用下 估計(jì)出基于d n v 遠(yuǎn)洋標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)損檢測(cè)條件 下可接受的 或允許 缺陷尺寸大小 依據(jù)b s 7 4 4 8 p a r t l 4 相應(yīng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 通 過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定x 5 6 鋼焊接接頭的基本力學(xué)性能 得到了母材和焊縫金屬的屈 服強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度及焊縫金屬的真應(yīng)力 應(yīng)交關(guān)系曲線 通過(guò)測(cè)定 5 6 鋼焊 接接頭的6m r 和卜 r 阻力曲線 得到了焊縫和熱影響區(qū)的裂紋擴(kuò)展極限值及 啟裂韌度6o 2 j 0 2 通過(guò)對(duì)管線鋪設(shè)過(guò)程中的受力情況進(jìn)行分析 確定了最大 應(yīng)力 殘余應(yīng)力分布以及三種典型錯(cuò)邊量條件下的應(yīng)力集中情況 將分析所得 結(jié)果作為已知參數(shù)數(shù)據(jù)輸入所開(kāi)發(fā)的軟件 進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助e c a 評(píng)估 從而得 到不同水深 不同缺陷類(lèi)型 不同缺陷位置及不同錯(cuò)邊量狀態(tài)下焊接接頭處缺 陷的允許尺寸 此外 海底管線無(wú)論在鋪設(shè)階段還是在服役期間 都會(huì)受到流經(jīng)管道內(nèi)都 的液體 外表面海浪及海床紊流共同形成的渦流所引起的振動(dòng) v i v 載荷作 用 該動(dòng)載以海浪周期循環(huán)施加在管線上 成為引發(fā)管線焊接接頭缺陷疲勞擴(kuò) 展的驅(qū)動(dòng)力 因此 通過(guò)分析v 載荷特性 合理選取疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù) 再 結(jié)合斷裂分析所得到的臨界裂紋尺寸 利用所開(kāi)發(fā)的疲勞評(píng)估軟件即可獲得不 同水深 不同跨距條件下 含表面缺陷及埋藏缺陷的焊接接頭的疲勞擴(kuò)展壽命 關(guān)鍵詞 焊接接頭缺陷e c a 評(píng)估斷裂韌性疲勞壽命阻力曲線 v i s u a lb a s i c 管線鋼擴(kuò)展速率載荷譜 摘要 a b s t r a c t w r e l d e ds t r u c t u r ei s w i d e l yu s e di nt h ef i e l d si m p o r t a n tt ot h e n a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d s u c h 夠e n e r g ys o u r c e t r a n s p o r t a t i o n b u i l d i n g c h e m i c a li n d u s t r y a n ds oo n h o w e v e r 豁a s p e c i a lm e t h o d w e l d i n gp r o c e s s i n gi so f t e nc o m p a n i e dw i t ha l ls o r t so f d i s c o n t i n u o u sd e f e c t sa n ds h a p ei m p e r f e c t i o n so c c u r r i n gi nw e l d e d j o i n t t h o s ed e f e c t sa n dd e f o r m a t i o na r eu s e dt os h o w i n gs e n s i t i v i t yt ot h e a p p l i e dl o a d sa n db e c o m i n gt h em o s td a n g e r o u sp o i n t st h a tc a u s i n g s t r e s sc o n c e n t r a t i o n a c c e l e r a t i n gc r a c kp r o p a g a t i o n e v e nl e a d i n gt o f a i l u r ew h e ns t r u c t u r e sa l ei ns e r v i c e t h e r e f o r e b a s e do nf l m e s sf o r p u r p o s ep r i n c i p a l t om a k ea no v e r a l la n a l y s i sa n da s s e s s m e n to n f r a c t u r ea n df a t i g u ep r o p e r t i e so f w e l d e d j o i n tw i t hf l a w s i tw i l ln o to n l y h e l pt oo p t i m i z et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oa v o i dt h eo c c u r r e n c eo f d e f e c t sa n dd e f o r m a t i o n 髂p o s s i b l e a n dt oe l l s u r et h ew h o l es t r u c t u r e r u n n i n gs a f e l ya n dr e l i a b l y m o r e o v e r i tw i l le v e nb eb e n e f i tf o r r e d u c i n gt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta n de n h a n c i n gt h ee c o n o m i ca n ds o c i a l r e t u r n s f r a c t u r em e c h a n i c si so n eo fg r e a ta c h i e v e m e n t si ns o l i dm e c h a n i c s i n2 0 t hc e n t u r y i ti st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs t r e n g t ht e s t i n g a n dl i f ep r e e s t i m a t i o no ft h ee n g i n e e r i n gm a t e r i a la n dc o m p o n e n t b a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s t h e r ea r em a n yf r a c t u r ep a r a m e t e r ss u c h 醛 k t c 知船w e l la s 艿i c w h i c hh a v ea l r e a d yb e c o m ei m p o r t a n t c o n s t i t u e n t si ne n g i n e e r i n gm a t e r i a la n ds t r u c t u r ed e s i g ns t a n d a r d s a p p l y i n gt h ef r a c t u r em e c h a n i c st h e o r yt of a i l u r ea s s e s s m e n to f f l a w e d s t r u c t u r e as u b d i s c i p l i n eh a sb e e nf o r m e di ni n t e r n a t i o n a l a n dm a n y w e l l k n o w na s s e s s m e n tr e g u l a t i o na n dp r o f e s s i o n a ls t a n d a r d sa r eb e e n m a d e s u c h 雒a s m e b s ip 卜 6 4 9 3 w e s 2 8 0 5 r 6 s d m 蟑 d n v a n ds o o n 1 1 1 ed e v e l o p m e n to ff r a c t u r em e c h a n i c sh a sa c c e l e r a t e dt h ep r o c e s s t h a tt u m i n gf l a wa s s e s s m e n tl e v e li n t om o r es c i e n t i f i c b r i t i s hs t a n d a r d p d 6 4 9 3p r o m u l g a t e di t sr e v i s e de d i t i o ni n2 0 0 0 a n dc h a n g e dt h ec o d e n u m b e ri n t ob 7 9 1 0 1 9 9 9 i nt h i ss t a n d a r d f a i l u r ea s s e s s m e n td i a g r a m f a d w a su s e d 觴c r i t e r i o ni na s s e s s i n ge l a s t i c p l a s t i cf r a c t u r eo ft h e m 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 f l a w e ds 仇l c t u r e t h es t a n d a r dp r o v i d e s c o r r e s p o n d i n ga s s e s s m e n t m e t h o d so fs i n g l eo r m u l t i p l e s u r f a c ef l a w e m b e d d e df l a wa n d t h r o u g h t h i c k n e s sf l a wi nf o l l o w i n gs 缸 1 l c t l l r e s s u c ha sp l a t e c u r v e d s h e l l p i p ej u n c t i o n r o u n db a r b o l t w e l d e dj o i n ta n d s oo n t h e r ea r e t h r e el e v e l so ff r a c t u r ea s s e s s m e n ti nt h i sg u i d e b u ts i m i l a rm e t h o d sa r e u s e di ne a c h t h ec h o i c eo fl e v e ld e p e n d so nt h em a t e r i a l si n v o l v e d t h e i n p u td a t aa v a i l a b l ea n dt h ec o n s e r v a t i s mr e q u i r e d g e n e r a l l y t h eh i g h e r a s s e s s m e n tl e v e lw a sa d o p t e d t h em o r em e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t aw a s r e q u i r e d a n d t h el e s sc o n s e r v a t i v e a s s e s s i n g r e s u l to b t a i n e d f u r t h e r m o r e t w op r o c e d u r e sh a v eb e e ng i v e nt oa s s e s st h ea c c e p t a b i l i t y o ff l a w su n d e rf a t i g u el o a d s o n em e t h o di sb a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c s a n a l y s i so fc r a c k sa n de s t i m a t et h ef a t i g u el i f eb yi n t e g r a t i n gt h ec r a c k g r o w t hl a w t h eo t h e rm e t h o di sd e s c r i b e da st h a tf l a w sa r ea s s e s s e db y c o m p a r i n gt h ea c t u a ls nc u r v e st h ei d e a ls nc u r v e s f l a wc a l lb e a c c e p t a b l e i fi t sa c t u a lq u a l i t y c a t e g o r yi se q u a lo rh i g h e rt h a nt h e r e q u i r e do n e i nt h i sp a p e r b a s e d m a i n l yo nb s 7 9 1 0 w h i l er 6a n ds i n t a pw a r e t a k e n 鶴r e f e r e n c e s as e to fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ns o f t w a r e w h i c h i n c l u d e st h r e ep a r t s w h i c ha r ef l a wr e c h a r a c t e r p l a n a rf l a wa s s e s s m e n t f r a c t u r ea n df a t i g u ee n g i n e e r i n gc r i t i c a la s s e s s m e n tf o rf l a w e ds t r u c t u r e a n dn o n p l a n a rf l a wa s s e s s m e n t w a sd e v e l o p e db yc h o o s i n gs o f t w a r e t o o lv i s u a lb a s i c6 0a n ds o m ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m s t h es o r c a nb eu s e di nf r a c t u r ea n df a t i g u ea s s e s s m e n ti ns t r u c t u r e s s u c ha sp l a t e p i p el i n e w e l d e dj o i n ta n dr o u n db a r w i t hs i n g l eo rm u l t i p l ef l a w s c o p l a n a ro rn o n c o p l a n a rs u r f a c e f l a w e m b e d d e df l a wa n dv o l u m e f l a w s l y i n gi n i n f r a c t u r e a s s e s s m e n t t h es o f t c o v e r st h et h r e e a s s e s s m e n tl e v e l s t h e ya r es i m p l i f i e da s s e s s m e n t n o r m a la s s e s s m e n t a n dd u c t i l et e a r i n ga s s e s s m e n tp r o c e d u r e a f t e rd e b u g g e dt or u n s m o o t h l y t h es o f t w a r ew a se x a m i n e da n d t h ed e v i a t i o ni sl e s st h a n0 1 c o m p a r e dt ot h er e s u l t so fd n vs ot h ed e v e l o p e ds o f t w a r eh a s d o m i n a n c en o to n l yi np r a c t i c a b i l i t ya n de x t e n s i v eu s e b u tb e a u t i f u la n d f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n b yd e v e l o p e ds o f h v a r e f r a c t u r ea s s e s s m e n tw a sc o n d u c t e do nb a l l s o c k e ta x i sw h i c hh a de x p e r i e n c e dn o r m a l i z eh e a tt r e a t m e n ta n dw a s 摘要 s u b j e c t i n gt o1 2 8t o n sl o a d d u et ol i m i t e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s l e v e l 2 aw a sc h o s e na sc r i t e r i ao fe v a l u a t i o na n dk i ca sa s s e s s m e n t p a r a m e t e r m e m b r a n es t r e s sa n db e n d i n gs t r e s so nf r a c t u r ep l a n ew a s c a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ea n s y s w h i c hp o s s e s s e s s t r u c t u r ea n dt h e r m a l a n a l y s i sf u n c t i o n t h r o u g ha s s e s s m e n to f s e m i e l l i p t i cs u r f a c ec r a c ka n dc i r c u m f e r e n t i a ls u r f a c ec r a c k i ti n d i c a t e s m a tt h ed e e p n e s so fc r a c ka n dt h eh e a tt r e a t m e n tr e s i d u a ls t r e s sa r em a i n c a u s e st h a tl e a dt h eb a l ls o c k e ta x i st oc o l l a p s e f r o mt h er e s u l t so f a s s e s s m e n t w ec a ns e et h a tt h ee x t r e m ed e e p n e s sd i m e n s i o no f s e m i e l l i p t i cs u r f a c ec r a c ki s0 7 l m ma n dt h ec i r c u m f e r e n t i a ls u r f a c e c r a c k si s0 2 5 m m t h eo f f s h o r ep i p e l i n ei sa t y p i c a lw e l d e ds t r u c t u r e d e f e c t sa n d d e f o r m a t i o nw a sp r o d u c e di n e v i t a b l yd u r i n gi n s t a l l a t i o no ri ns e r v i c e b e c a u s et h ep i p e l i n e sa r eo f t e nw o r k i n gi nf o r m i d a b l en a t u r a lc o n d i t i o n s a t m o s p h e r i cc o r r o s i o n s e aw a t e rc o r r o s i o n a n d s e r v i n g u n d e r c o m p l i c a t e da p p l i e dl o a d s s t a t i cf o r c ei n c l u d i n gg r a v i t ya n dv a r i o u s p r e s s u r e d y n a m i c 1 0 a d sc o n s i s t e do fm e c h a n i c a l s h a k i n ga n ds e a c o l l i s i o n e v e r lu n p r e d i c t a b l ea p p l i e dl o a d s c o r r o s i v ee n v i r o n m e n ta n d c o m p o u n ds t r e s sa c c e l e r a t et h ep r o p a g a t i o ns p e e do fc r a c kt h a te x i s t i n g i nw e l d e di o i n t o n c et h ew e l d e ds t r u c t u r ec o l l a p s e do rl e a k e do u t c a t a s t r o p h ee c o n o m i cl o s sa n ds e r i o u sc o n t a m i n a t i o na c c i d e n tw i l lb e i n d u c e di n e v i t a b l y s ot h ec o r r e c te v a l u a t i o nt ot h i sk i n do fw e l d i n g s t r u c t u r e s e c u r i t yi sn o to n l yi m p o r t a n tb u te x t r e m e l ye s s e n t i a l t od e t e r m i n et h ep e r m i s s i b l ef l a wd i m e n s i o na c c o r d i n gt ot h e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga c e e d t a n c ec r i t e r i as p e c i f i e di nt h ed n v o f f s h o r es t a n d a r d s u b m a r i n ep i p e l i n es y s t e m s a ne n g i n e e r i n gc r i t i c a l a s s e s s m e n t e c a o ni n s t a l l a t i o no fg a so f f s h o r ep i p e l i n et h a te n d u r e s t a t i cs t r e s s d y n a m i cc i r c l es t r e s sa n dr e s i d u a ls t r e s se r e f r o ml u s h u n t od a l i a ni nc h i n e s eb o h a ls e ag u l f w a sa n a l y z e da n da s s e s s e db y d u c t i l et e a r i n ga s s e s s m e n tp r o c e d u r eo fd e v e l o p e ds o f t w a r ei nt h i sp a p e r t h ei n s t a l l a t i o nd i s t a n c ei sa b o u t5 9 2k i l o m e t e rl o n g t h ed e e p e s t s e a w a t e ri sa b o u t3 3m e t e r t h em a t e r i a lo ft h e p i p e l i n ei s s t e e l a p i 5 l x 5 6 t h eo u t e rd i a m e t e ri s3 2 4m i l l i m e t e r a n dt h ew a l lt h i c k n e s s i s1 2 7m i l l i m e t e r t h r o u g ht e n s i l et e s t m e c h a n i c sp r o p e r t i e so fw e l d e d v 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 j o i n to fx 5 6s t e e lw e r eo b t a i n e d i n c l u d i n gt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l d s t r e n g t ho fp a r e n tm a t e r i a la n dw e l d a sw e l lac o m p l e t ee n g i n e e r i n g s t r e s s s t r a i nc u r v eo fw e l dw a sd r a w n f r a c t u r et o u g h n e s s60 2 j o ao f h e a t a f f e c t e dz o n ea n dw e l da r eg a i n e db ym e a s u r i n g 子 ra n dh t r e s i s t i v ec u r v eo fx 5 6s t e e lw e l d e di o i n t t h em a x i m u ms t r e s s t h e d i s t r i b u t i o no f r e s i d u a ls t r e s sa n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h r e et y p i c a l m i s a l i g n m e n t sa r ed e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h ea p p l i e ds t r e s s e so f p i t d i n ei n s t a l l a t i o n 哪 e t e s tr e s u l t sa n da n a l y s i sc o n c l u s i o n s a r e r e g a r d e da sp a r a m e t e rd a t aa n di n p u t t e di n t os o f t w a r et od e t e r m i n et h e t o l e r a b l ef l a wd i m e n s i o n si nw e l d e dj o i n to nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t w a t e rd e p t h f l a wt y p e sa n dm i s a l i g n m e n t s c o n s i d e r i n gt h eo f f s h o r ep i p e l i n em a yb es u b j e c t e dt ov o r t e xi n d u c e v i b r a t i o n v i v c a u s e db ys u r f a c ew a v e s t u r b u l e n c ea tt h es e a b e da n d t h ec u r r e n tf l o w i n go v e rt h ep i p e l i n ed u r i n gb o t ht h es t a g eo fi n s t a l l a t i o n a n di ns e r v i c e 1 1 1 ef a t i g u e c r a c kw o u l db ep r o p a g a t e dw h e np i p e l i n e e x p o s e dt ov i vd y n a m i cl o a dw i t ht h eo c e a n sc y c l i cp e r i o d h e n c e f a t i g u el i f eo fs u r f a c ef l a wa n de m b e d d e df l a wi nw e l d e di o i n tw i l lb e p r e e s t i m a t e do nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tw a t e rd e p t ha n df r e e s p a n p r o v i d e dt h a ta n a l y z i n g vl o a dp r o p e r t y c h o o s i n gt h ep a r a m e t e ro f f a t i g u ec r a c kg r o w t hr e a s o n a b l y c o m b i n i n gt h ea v a i l a b l ec r i t i c a ld e f e c t s d i m e n s i o na n dm a k i n gu s eo fd e v e l o p e df a t i g u ea s s e s s m e n ts o r w a r e f u r t h e r m o r e v o l u m ef l a wa s s e s s m e n ts o f tw a sd e v e l o p e dt od o a s s e s s i n gw o r ki ns o m en o n p l a n a rs u c ha ss l a gi n c l u s i o n s p o r o s i t i e s i m p e r f e c ts h a p e a n ds of o r t h b a s e do nb 7 9 1 0a n ds a p v k e yw o r d s w e l d e dj o i n tf l a w e n g i n e e r i n gc r i t i c a la s s e s s m e n t e c a f r a c t u r et o u g h n e s s f a t i g u el i f e r e s i s t a n c ec u r v e v i s u a lb a s i c p i p e l i n es t e e l c r a c kp r o p a g a t i o nr a t e l o a ds p e c t r u m 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得苤洼盤(pán)鱟或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書(shū)而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位做儲(chǔ)躲鞏奶簽字嗍訓(xùn)年m p 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解苤洼盤(pán)堂有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特授權(quán)叁盜盤(pán)堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校 向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán) 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明 學(xué)位論文作者簽名 繾彳 導(dǎo)師簽名 簽字日期 7 彳年 月沙日 簽字日期 黧 第一章緒論 第一章緒論 1 1 缺陷評(píng)定理論及發(fā)展 由于冶金 制造及使用中的諸多原因 工業(yè)設(shè)備和工程結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)及服役過(guò) 程中通常會(huì)產(chǎn)生多種形式的缺陷 而缺陷的存在又往往成為導(dǎo)致設(shè)備故障甚至發(fā) 生重大災(zāi)難性工程安全事故的根源 給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成不可估量的損 失 因此 含缺陷結(jié)構(gòu)的安全性一直是國(guó)際工程界十分關(guān)注的問(wèn)題 焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝與技術(shù)在2 0 世紀(jì)為工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了重要 的貢獻(xiàn) 焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于諸如航空航天 核能利用 電子信息 海洋鉆探 高層建筑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域 可以說(shuō)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在一定程度上促進(jìn)了現(xiàn) 代化工業(yè)的發(fā)展 然而在焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)展初期 要求結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中均 不得有任何缺陷存在 否則就要返修或報(bào)廢 后來(lái)曾任英國(guó)焊接研究所所長(zhǎng)之職 的e n g a r f u c h s 證明 有些缺陷的存在雖然對(duì)接頭的強(qiáng)度無(wú)任何不利影響 而返 修卻造成結(jié)構(gòu)或接頭使用性能的降低 并基于這一研究由英國(guó)焊接研究所首先提 出了 合于使用 的概念 在斷裂力學(xué)出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用之后 這一概念受到了人 們的重視并成為焊接結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期研究的中心課題之一 現(xiàn)已逐漸發(fā)展成為 合于使 用 原則 該原則與 完整結(jié)構(gòu) 在概念上的區(qū)別是它明確地承認(rèn)焊接結(jié)構(gòu)存在 構(gòu)件形狀 材料性能偏差和缺陷的可能性 但是在建立于諸如應(yīng)力分析 斷裂力 學(xué) 材料試驗(yàn) 質(zhì)量檢查 無(wú)損探傷等科學(xué)方法研究的基礎(chǔ)上 合于使用 原 則要客觀地保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何已知機(jī)制的失效事故 因此 該原則為焊接結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì) 制造和驗(yàn)收提供了有效的手段 斷裂力學(xué)理論是將缺陷尺寸 應(yīng)力水平以及材料抵抗破壞的能力三者聯(lián)系起 來(lái) 對(duì)含裂紋材料和構(gòu)件的抗斷裂性能及各種工作環(huán)境下裂紋的平衡 擴(kuò)展 失 穩(wěn)及止裂規(guī)律進(jìn)行綜合研究的一門(mén)學(xué)科 它萌芽于2 0 世紀(jì)2 0 年代a ag r i f 葑t h 對(duì)玻璃低應(yīng)力脆斷的研究 其后 國(guó)際上發(fā)生了一系列重大的斷裂應(yīng)力低于屈服 強(qiáng)度的低應(yīng)力脆斷災(zāi)難性事故 如早期的比利時(shí)a l b e r t 運(yùn)河上的i i a s s e l t 橋梁脆 斷事故 二次世界大戰(zhàn)中美國(guó) 自由輪 的脆斷事故 5 0 年代美國(guó)北極星導(dǎo)彈 發(fā)動(dòng)機(jī)殼體經(jīng)過(guò)一系列的傳統(tǒng)的韌性指標(biāo)檢驗(yàn)合格后 卻在點(diǎn)火后發(fā)生脆斷事故 等等 促進(jìn)了這方面的研究 并于5 0 年代開(kāi)始形成斷裂力學(xué) 1 9 4 8 年o r o w a n 提出了修正的g r i f f i t h 理論 指出將裂紋尖端區(qū)塑性功計(jì)入耗散能 就能將礎(chǔ)l h 理論用到金屬材料 1 9 5 6 年 l n v i n 提出了應(yīng)力強(qiáng)度因子理論和斷裂韌性新觀念 建立了臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則 認(rèn)為裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時(shí) 裂紋 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展 莫定了線彈性斷裂力學(xué)理論基礎(chǔ) 1 9 6 2 年p a r i s 提出了疲勞裂紋 擴(kuò)展公式 開(kāi)辟了疲勞壽命預(yù)測(cè)的新領(lǐng)域 1 9 6 2 年d u g d a l e 提出了窄帶屈服區(qū) 模型 即d m 模型 并求解得到平面應(yīng)力條件下的裂紋頂端張開(kāi)位移c t o d 1 9 6 8 年r i c e 建立了j 積分原理 指出了j 積分的守恒性 h u t c h i n s o n r i c e 和 r o s e n g r e n 聯(lián)合提出彈塑性材料的裂紋尖端h r r 奇性場(chǎng) 均為彈塑性斷裂力學(xué)奠 定了理論基礎(chǔ) 斷裂力學(xué)是2 0 世紀(jì)固體力學(xué)重大成就之一 是工程材料與構(gòu)件強(qiáng)度估算和 壽命預(yù)測(cè)的重要理論基礎(chǔ) 在斷裂力學(xué)原理指導(dǎo)下建立起來(lái)的線彈性斷裂韌性 k l c 及彈塑性斷裂韌性j j c 6 l c 的測(cè)定規(guī)范及相應(yīng)斷裂準(zhǔn)則 已成為工程材料與 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的重要組成部分 具有重大的工程應(yīng)用意義 4 1 1 2 缺陷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)展概況 斷裂力學(xué)理論的發(fā)展促進(jìn)了實(shí)現(xiàn)缺陷評(píng)定的科學(xué)化晦 人們對(duì)斷裂力學(xué)理 論認(rèn)識(shí)的不斷深入過(guò)程也就是缺陷評(píng)定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善過(guò)程 最早用于 缺陷評(píng)定的是由英國(guó)焊接研究所提出的c o d 設(shè)計(jì)曲線法 現(xiàn)已編錄入b s 7 9 1 0 1 標(biāo)準(zhǔn)的附錄n 中 并歸為初級(jí)b 評(píng)定 當(dāng)量裂紋評(píng)定法 在正文第三章中有 比較詳盡的介紹 1 9 7 4 年發(fā)展起來(lái)的日本w e s 2 8 0 5 k 標(biāo)準(zhǔn)在概念上與早年英 國(guó)提出的c o d 設(shè)計(jì)曲線相似 但它以應(yīng)變參量為主 起初采用如公式卜1 所示 表征允許裂紋尺寸與應(yīng)變之間的關(guān)系 片 妒 0 5 7 7 e e 式1 1 2 勰 a 8 0 年代日本焊接工程師協(xié)會(huì)對(duì)上式經(jīng)研究和修改 在其基礎(chǔ)上提出了新的 關(guān)系式卜2 示 艿 2 e 口恬 p 廠 對(duì)于a e 1 式卜2 艿 e a 口哆 5 e e 1 5 j 對(duì)于a e 1 但是 由于c o d 理論存在固有的弱點(diǎn) 它并不是一個(gè)直接的 嚴(yán)密的裂紋 尖端彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的表征參數(shù) 到8 0 年代c o d 設(shè)計(jì)曲線法基本處于停滯 不前的狀況 1 9 7 6 英國(guó)c e g b 嘲發(fā)表了 帶缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的r h r 6 報(bào)告 1 9 7 7 年 進(jìn)行了第一次修訂 簡(jiǎn)稱(chēng)為r 6 方法 1 9 8 0 年進(jìn)行了第二次修