油气输送焊管的韧性要求

油气输送焊管的韧性要求史耀武西安交通大学机械工程学院710049摘要在回顾现行确定材料韧性要求指导思想基础上，提出了基于弹塑性断裂双参数准则的冲击韧性要求估计方法，同时考虑了焊管内压，应力集中及焊接残余应力的影响该方法可方便地用于估算油气输送焊管的冲击韧性要求主题词焊接钢管冲击韧性弹塑断裂残余应力1引言转变温度就没有直接联系了为了克服这一困难发为了确保压力容器，海洋工程结构、长输管线展起来动态撕裂试验DT和Battelle落锤撕裂试验等重要工程结构的可靠运行，很多标准和法规都对这BDWTT,使试样厚度增至板的全厚度为了防止焊些重要结构材料在服役条件下的韧性要求做出了规定管发生脆断，常要求BDWTT试验在焊管服役温度下目前应用最广泛的仍是以V型缺口夏比试样冲击试验确定的断口剪切面积要大于85%采用这种大尺寸的夏比试样，可使转变温度移至较高的温度，从而给的吸收能作为韧性指标通常美国和日本采用最低设工程设计确定材料韧性要求时令人为难计使用温度下的夏比冲击吸收能，而英国标准大都采用参考温度下的吸收能，参考温度与最低设计温度及二是基于材料的起裂性质，主要应用在欧洲，板厚有关随着断裂力学的发展，有的标准或法规还基础是宽板拉伸试验，及其与夏比冲击试验的相关关对结构材料的断裂韧性要求值做出了规定系它考虑了板厚、缺陷尺寸、焊接残余应力及外载等多种因素的相互作用看起来宽板试验与止裂性质韧性要求过高，引起材质及结构制造成本的提无关，但实际上宽板试验的缺口多设置在焊接热影响高，要求过低，结构有发生脆断的危险为了对重要区，由于热应变脆化那里也是很容易起裂的，而整结构的韧性做出恰当的要求，目前世界上基本有两种体断裂行为也和局部脆断能否扩展到整个板的截面有考虑关可以认为，在裂端局部脆性区的动态断裂韧性是一是基于材料的动态或止裂性质，主要应用在宽板断裂的控制参量由于宽板试验直接用于工程评美国，是以二次世界大战中船舶的失效分析为基础的，价很不方便，在实际应用上，还是通过宽板试验所确认为在这些焊接结构的使用环境下，起裂是很容易的，定的无塑性转变温度和夏比冲击特性之间关系的积采用美国海军研究所提出的断裂分析图FAD及其无累，由夏比冲击试验确定NDT塑性转变温度NDT作为确定材料的韧性要求为宜〃］它显示了带缺陷板的断裂应力与温度的关系，另外，随着断裂力学的发展，裂纹尖端张开位可认为NDT是个止裂能力的度量在实际应用当中，移CTOD设计曲线可以建立结构材料在某种应力或是靠夏比冲击试验确定NDT的，并要求结构钢的应变条件下缺陷尺寸与断裂韧性的关系，并用所确定NDT要低于其服役温度这种方法的缺点是，当实的断裂韧性，采用基于实验的相关关系，反求夏比冲际构件的厚度和试样不同时，试验结果和实际构件的击试验性质应该指出，它的基础仍是宽板拉伸试验但是，©1995-2004Tsinghua TongfangOptical DiscCo.,Ltd.Allrights reserved.=还”⑸在缺少实际焊管钢材宽板试验数据和裂纹驱动力对应

3.关系的情况下，就用设计曲线确定CTOD断裂韧性要上述假设也符合薄壁大直径油气输送焊管的实求值，进而反求夏比冲击韧性要求值，就显得缺乏依际情况根据日本焊接工程学会标准WES28O5建议据，特别是对当代的高韧性控轧钢材及拘束低存在局3],裂纹尖端张开位移断裂韧性

8.与夏比冲击吸收能部高应变区的焊管及管线结构，就更是如此CVN有如下关系虽然焊管的韧性要求已为人们探索多年，但为8=

0.001CVN6了确保焊管及其焊接接头在确定的结构尺寸及服役条式中5的单位是mm,CVN的单位是J另外，设焊管件下不产生断裂，且使扩展中的裂纹能止裂，这对于a=O.25B,B是壁厚，则输油特别是输气管线是非常重要的本研究拟在过去叫时研究工作的基础上，提出预测焊管夏比冲击韧性要求⑺CVN■6的表达式式中CVN即夏比冲击吸收能要求值CVNreqo当二a,时，上式可简化为确定冲击韧性要求的理论方法2⑻CVNreq■英国中央电力局提出的CEGB/R6方法2],认为从理论上讲，只要结构在实际服役温度，介质断裂的可能性是由线弹性断裂及塑性失效两个极端状及加载速度等环境条件下，材料的夏比冲击韧性超过态的双参数控制的其中间状态的弹塑性断裂可在这⑺式确定的值，结构就只能发生塑性失稳，而不会因两个极端状态之间进行内插，形成失效评定图目前裂纹扩展引起脆断破坏该方法在压力容器及压力管道结构完整性评定方面已为世界各国所接受，并获得了广泛的应用失效评定应该指出的是，7式中的总作用应力，应包图的通用曲线经变换后有以下形式括应力集中及焊接残余应力等方面的影响因此，对实际焊管及管线焊接接头的夏比冲击韧性要求可表示8={l-

0.14L[

0.3+

0.7为exp-

0.65L]}21“现％+“产式中双参数为CVNreq-9力■宗⑵式中K,是弹性应力集中系数，，是焊接残余应力，确定K,和，的方法可参见WES2805等资料特别是由于焊管都经受了水压试验，焊态焊管，一般取

0.6o、是完全可以的对某些长输管线还应考虑其中，为材料屈服极限，

8.为弹塑性断裂韧性，支承及土壤位移等引起的附加应力为总作用应力，8为裂纹尖端张开位移显然焊管的总作用应力越大，管壁越厚,焊管的韧性要为了确保焊管只可能发生塑性失稳，而不会因求越高实际材料的韧性要求应超过由⑻或⑼式所确裂纹扩展引起弹塑性断裂，假定⑴式中L=

0.95,即引定的冲击韧性要求值，这两个表达式实际上给出了防起裂纹扩展的作用力要等于材料95%的屈服极限,由止焊管脆性断裂的条件⑴式,则8,=

0.4E应该指出的是，在基于材料止裂性质确定韧性要求时，由于在焊接接头局部脆性区起裂很容易，所在小范围屈服时，无限大薄板中心裂纹以对焊接接头的起裂韧性并不看重受单向拉伸载荷作用时，裂纹尖端张开位移为8■步43讨论2力式中a为穿透裂纹半长，E为弹性模量，由⑵及⑷式，按WES2805,如焊管残余应力,二

0.6,，接得出头处的应力集中系数K,=

1.5o设管壁周向作用应力=

0.67o,,9式可改写为:压输气管试验结果的证实Mannesmann公式为CVNjreq=10CVNreq-y[1999exp

0.287X10-et按等冲击韧性要求值表示，10式中材料屈服xaL76xDi0xB

0.585]11极限和壁厚B之间的关系如图1所示图中材料的式中直径D和壁厚B单位为mm,工作应力单位E=210000MPa显然强度级别越高，管壁越厚，服MPa,CVNreq单位J役条件下冲击韧性要求也越高如o=

0.67oy,D=529mm,B-7mm,预测的CVNreq值也列于表1可见除了级别低的X

42、X46外，10式均给出了比Mannesmann更高的韧性要求值，所以10式或表1给出可靠的输气管韧性要求预测值而对输油管，由于对焊管止裂韧性要求低，所以其冲击韧性要求值可比10式或表1给出的值低一些实际上，用上海宝钢及日本川崎X70板料由宝鸡石油钢管厂生产的529义7mm螺旋焊管，其管材及焊接接头的冲击韧性均在100J以上，均高于本研究及Mannesmann公式预测的对输气管冲击韧性的要求，应该说具有良好的防止输气管脆裂的止裂性能[5应该指出，在输气管中如输送气体组成不同，在图1管材屈服极限、壁厚和冲击韧性要求值的关系爆管时气体的减压特性不同，气体中的可燃成分越高，爆管时裂端应力也越高，这时对10式的预测值或试验温度的规定上应做适当修正以壁厚7mm的埋弧焊管为例，在工作应力=

0.结论67a,的情况下，在服役条件下各强度级别焊管的冲击4韧性要求，可用10式估算，并列于表1这里的夏1本研究给出的方法可用于预测油气输送焊管比冲击韧性要求是按全尺寸10mm厚试样计算的，夏的夏比冲击韧性要求值比冲击试验的温度就是焊管的最低设计服役温度应2随管材屈服极限及壁厚的增加，焊管夏比冲击该指出表1所列的估计值是冲击韧性要求的最低值，韧性要求越高它能满足对我国西部油气输送焊管的韧性要求致谢本研究得到国家自然科学基金委员会和宝鸡石油表1服役条件下焊管夏比冲击韧性要求的预测值钢管厂的资助，特表示感谢B=7mm,a=

0.67a,管材级别API X42X46X52X56X60X65X70参考文献屈服极限MPa2893173583864134484821J.M.Barsom andS.T.Rolfe,Fracture andFatigueControl inStructures,Prentice-Hall,Inc.,New冲击韧性要求值J30323739424649Jersey,

1987.Mannesmann预测值J333334353536372LMilne,R.A.Ainsworth,A.R.Dowling,andA.T.Stewart,Assessment ofthe integrityaf应该指出，为了防止输气管裂纹的长程扩展，输structures containingdefects,International气管应有较好的止裂韧性研究表明，在多种预测大Journal ofPressure Vesseland Piping,VoL32,直径输气管冲击韧性要求值的公式中，MannesmannNos.l-4,1988,pp.3-

104.公式给出了CVN req值的上限4],并得到全尺寸高3Japan WeldingEngineering SocietyStandard,Method ofAssessment forDefects inFusion-pp.105-

108.Welded Jointswith Respectto BrittleFracture,WES5西安交通大学机械工程研究所，宝鸡石油钢管厂，2085,

1980.高韧性螺旋埋弧焊管焊接接头的组织性能研4G.H.Vogt,and W.W.Wiedenhoff,Toughness究,1992年requirements arestudied forlarge-diameter gas（收稿日期1994—08―09）pipeline,Oil andGas Journal,No.81984,・消息・冶金部钢管专家座谈会在上海召开本刊讯为了进一步促进钢管行业的技术进步，探讨行业今后一段时期无缝钢管和焊接钢管的合理布局和发展，1994年11月29日〜12月1日，冶金部在上海市召开了钢管专家座谈会出席会议的有冶金部殷瑞铉副部长、冶金部科技司、规划司、中国金属学会、上海市冶金局等有关部门负责人和来自国内钢管制造厂家、科研院所的专家以及中国国际咨询公司、机械部、煤炭部、中国石油天然气总公司的代表共44名会议所讨论的主要议题是1目前钢管市场需求的基本情况，2000年需求发展的趋势，钢管消费量占钢材产量的比例，我国与不同类型国家的焊管与无缝管的合理比例2焊管、无缝钢管各自不同用途的优势，以及在使用领域中可以通用的部分3经济方面含系统投资、成本、劳动生产率等焊管与无缝管的差异和比较4国内外板带生产和焊管技术进展、发展方向，当代无缝钢管的技术评论5设厂构想无缝钢管、焊管今后应如何建厂、合理的工艺流程及建厂外部条件等会议期间殷瑞钮副部长和与会专家代表共同探讨我国钢管行业今后一段时期的发展策略他指出今后钢管行业的发展中心工作是怎样优化投资、优化结构，而不再是一味追求数量、产量的多少；优化的目的是要高质量、低成本、高效益，从而保证钢管行业稳定健康地发展会议开得紧张而热烈，专家代表们提出了许多很有见地的建议和看法，为国家行业管理和制定经济政策提供了必耍的依据会议还决定，委托中国金属学会将这次钢管专家座谈会的全部论文资料，整理成专辑出版张金虎报道ABSTRACTSWELDED PIPEAND TUBEVol.18N21Jan.1995Shi YaowulToughnessRequirement ofWelded Pipefor Transmissionof Oiland NaturalGasOn thebasis ofreviewing currentphilosophy fordetermining thetoughness requirementof materials,a methodofestimating impacttoughness requirementhas beenderived fromtwo-parameter criterionof elastic-plasticfracture.At thesame time,effects ofinternal pressure,stress concentration,and residualstresses of welded pipearetaken intoconsideration.The methodcan beconveniently usedto estimatethe impacttoughness requirementofwelded pipefortransmitting oiland naturalgas.Subject terms:welded steel pipe impacttoughness elastic-plastic fractureresidual stressZangTiejun5The Characteristicsof SpirallyWelded SteelPipeThe forcecondition inthe weldof spirally welded steel pipe is superior tothat oflongitudinal seamsteelpipe.What theload itbears issmall.Therefore,it canbe manufacturedinto thinwall steelpipe.Under somecondition,the spirallywelded steelpipe,in somefeatures ofhydrostatic burstingintensity,toughness,possibility ofunsteadyfracture,black brittlenessand lowcycle fatiguestrength,etc.issuperiorto longitudinalseam welded steelpipe.Subject terms:spirallyweldedsteelpipestraight weldedsteelpipeforming anglestrength ductilefracture lowtemperaturebrittleness low-cycle fatigueSunZhongqil1The Progressand PresentCondition ofWeldedTube EndFace TreatmentDeviceThis articlepresents theconstruction,working principleand specificfeatures ofvarious weldedtube endfacetreatment devicesboth athome andabroad.lt inquiresinto theirpresent conditionand progress.lt isa referencematerialfor thetechnical informationofweldedtube industry.Subject terms:weldedsteelpipe machiningallowance equipmentstructure developmentLiYajiang,Zhang Yonglan16Study ofEmbrittlement ofthe WeldingHAZ ofFerritic StainlessSteelMicrostructural characteristicsand HAZembrittlement inthe weldingjoint zoneof highCr ferriticstainlesssteel wereresearched bymeans ofmetalloscope,X-ray diffracter-meter,SEM andEPMA etc.The tendof graincoarsing,separation ofspot matter and morphologyof breakingsection inthe HAZthrough re-heating afterweldingwere furtheranalysed.Experimental resultsindicated thatgrain coarsing,separating ofthe spotmatterandoxidationof grainboundary weremain causesresulted inembrittlement ofwelding HAZ.The separatingmattersTiN,TiC andp-Cr Netc.in HAZpromoted producingand developingof em-brittle crack.2Subject terms:ferritic steelwelding HAZmicro structurebrittlenessCai Hongneng,TangMuyao21FEM Analysison TIGWeldingTemperature Field。