【摘要】：近年來,高壓、大口徑輸送管道的發(fā)展與應(yīng)用對管線鋼的強度和韌性提出了更高的要求。管道焊接過程中,焊縫與母材很難做到同質(zhì)等強度,因而一般焊接過程都存在強度失配問題。不同強度匹配對焊接接頭的斷裂行為具有顯著影響,因此,研究強度失配對管道焊接接頭斷裂過程的影響具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。本文采用有限元數(shù)值模擬的方法研究強度失配約束對管線鋼斷裂韌性及韌性裂紋擴展阻力曲線行為的影響。首先,以彈塑性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),基于細觀塑性損傷模型,采用ABAQUS有限元軟件對管線鋼斷裂力學(xué)試樣,即單邊缺口彎曲(SENB)和單邊缺口拉伸(SENT)試樣、寬板(WP)試樣、修正邊界層(MBL)模型以及周向表面裂紋管,在I型裂紋擴展下的斷裂阻力曲線進行了有限元模擬計算。研究表明:試樣幾何形式(以幾何約束Q參數(shù)來定量表征)對斷裂韌性影響顯著,隨著Q值增大,斷裂韌性降低;相比其他試樣,SENT試樣具有與管子更為接近的斷裂阻力曲線行為。通過對SENB和SENT試樣的斷裂韌度(裂紋尖端張開位移,CTOD值)進行試驗測試,進一步驗證了有限元模擬計算的結(jié)果。其次,采用SENB、SENT以及表面裂紋管研究了強度失配約束對管線鋼韌性斷裂行為的影響,結(jié)果表明:強度匹配系數(shù)My(定義為焊材與母材屈服強度比值,本文取低配到高配范圍0.8~1.3)對斷裂韌性的影響顯著。隨著強度匹配系數(shù)增加,裂尖失配約束M減小(由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝?,斷裂韌性增大。且隨著裂紋擴展,失配約束M在相似的范圍內(nèi)變化,表明強度匹配系數(shù)對阻力曲線的影響程度與裂紋擴展量無關(guān)。另外,標準SENB試樣的結(jié)果相較SENT更加保守。文中同時對不同鋼級(X65,X80以及X100)的管線鋼進行分析,結(jié)果表明失配約束對斷裂韌性的影響規(guī)律一致,即高配且匹配系數(shù)越高時焊接接頭的斷裂韌性及阻力曲線越高;隨匹配系數(shù)增加,失配約束M減小,管子的斷裂韌性增大;不同強度匹配引起的失配約束差異隨裂紋擴展而增大,且隨著鋼級的升高,失配約束的影響程度增大。最后,對大范圍屈服條件下管線鋼焊接接頭強度匹配對斷裂韌性影響的三維效應(yīng)進行了有限元模擬計算分析。結(jié)果表明:對于3D SENB,沿其厚度方向上各面的CTOD-CMOD(Crack Mouth Opening Displacement,裂紋嘴張開位移)曲線存在明顯的3D效應(yīng),隨著強度匹配系數(shù)增加,CTOD-CMOD曲線的3D效應(yīng)增大,距離對稱面越近的面CTOD-CMOD曲線相對越高。不同強度匹配系數(shù)下試樣對稱面上的CTOD-CMOD曲線以及裂紋擴展阻力曲線存在顯著差異,隨著強度匹配系數(shù)增加,CTOD-CMOD曲線降低,阻力曲線升高。對于SENB以及SENT試樣,通過2D平面應(yīng)變模型和3D實體模型計算得到的裂紋擴展阻力曲線是相似的,說明在對管線鋼進行斷裂韌性及阻力曲線評估時,可以采用2D平面應(yīng)變模型代替3D實體模型,進而在保證準確性的同時亦可降低有限元建模和計算的難度,提高運算效率。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG457.11

【參考文獻】

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本文編號：2534746