周向表面裂纹压力管道塑性垮塌失效的理论与实验研究(一)——-塑性垮塌失效的三维弹塑性有

    通常含缺陷结构的塑性垮塌失效因裂纹构型的不同将呈现出不同的失效形式,即发生在整个裂纹截面的整体净截面塑性垮塌失效以及发生在裂纹前沿韧带的韧带局部塑性垮塌失效。前者又称为整体塑性垮塌(Global Collapse),后者则称为韧带局部塑性垮塌(Local Collapse)。作为面型缺陷压力管道的主要失效形式,塑性垮塌失效倍受国内外管道研究者的关注,先后出现了多种塑性垮塌失效模型。其中,Kaninen等[1]提出并应用于含缺陷压力管道的塑性垮塌失效载荷计算的净截面垮塌(NSC)准则曾一度受到普遍的重视,并成为各主要管道缺陷评定规范中塑性垮塌载荷计算的主要方法。作者对此进行过系统的研究[2],建立了基于NSC准则的复合加载条件下周向表面裂纹管的塑性垮塌失效载荷(极限载荷)通用解。然而,实验研究表明[3、4]:在多数条件下,净截面塑性垮塌(NSC)失效模型能够较好地预测周向穿透裂纹管和大多数裂纹相对深度较浅的周向表面裂纹管的塑性垮塌失效载荷。但对于短且深的周向表面裂纹管,NSC模型往往过高地估计了裂纹管的塑性极限承载能力,表现为非保守预测。事实上,周向表面裂纹管在发生裂纹净截面整体塑性垮塌失效前,会发生裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌失效。由于表面裂纹管裂纹前沿韧带的塑性垮塌失效,将进一步导致韧带的撕裂或穿透。因此,在石油化工压力管道中,准确地预测表面裂纹管的韧带局部垮塌失效载荷,对避免管道因裂纹前沿韧带撕裂穿透而导致输送介质的泄漏而引发重大事故,具有重要的工程应用价值和理论意义。本文旨在通过三维弹塑性有限元分析,探索周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征,为建立适用于短深周向表面裂纹管的韧带局部垮塌模型提供理论依据。

　　1　周向表面裂纹管塑性垮塌失效的有限元计算模型

　　为考察周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征随裂纹构型(以相对裂纹深度a/t和角度2θ表示)的变化规律,本文对弯曲加载条件下的周向表面裂纹管进行了三维弹塑性有限元分析。计算所采用的有限元程序为美国EMRC公司开发的微机版NISA非线性弹塑性有限元程序[5]。为模拟弯曲加载实验条件下的周向表面裂纹管,有限元计算采用了如图1所示的四点弯加载模型,相应的裂纹尺寸见表1。

　　根据四点弯加载计算模型的结构及受载条件的对称性,实际仅取其模型的四分之一进行有限元计算,并在裂纹管结构对称面及支承点施加相应的边界约束,如图2所示。为便于施加集中载荷,同时又不改变裂纹净截面及其附近区域的受载条件,在计算模型中将管道材料分为两段处理,即受纯弯曲载荷作用的裂纹段(Mat·1)及施加集中载荷的加载段(Mat·2)。计算中,两管段的材料模式均选用理想弹塑性材料模型,其杨氏弹性模量和泊松比均相同,分别为2·1×105MPa和0·3,但流变应力不同。其中,裂纹段Mat·1的流变应力取为320MPa,而加载段Mat·2的流变应力取值则远高于裂纹段Mat·1的流变应力,取为320000MPa。