油氣管道裂紋擴展的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

李杜娟

（陜西省石油化工學校 機械工程系，陜西 西安 710061）

1 前言

由于目前石油、天然氣等能源的戰(zhàn)略地位顯著上升，對長輸管線的研究、生產(chǎn)與使用都有了穩(wěn)步的增長。以前管道研究主要是針對管道的設計，管道壁厚的確定以及管道局部缺陷的預估，隨著石油行業(yè)管道所用管材質(zhì)量要求的不斷提高，用舊的方法就會造成成本的提高和預估結(jié)果的保守，從而造成浪費。本文主要分析管道失效的方法，現(xiàn)狀以及目前仍然存在的一些問題，并指出進一步的發(fā)展方向。

2 基于單參數(shù)的斷裂力學

單參數(shù)斷裂力學主要內(nèi)容是單參數(shù)應力強度因子、單參數(shù)J 積分以及COD 理論。

2.1 應力強度因子K

應力強度因子K 是一個可以表征裂紋發(fā)生擴展的參數(shù)，當應力強度因子滿足此條件時裂紋將會擴展：

其中，KC為臨界強度因子。

對于油氣管道來說，直管管段的管道縱向長裂紋對其影響較大，是管道最嚴重的缺陷[1]，可將其類比于斷裂力學中的I 型裂紋。對于普通容器或者無內(nèi)壓管道來說I 型裂紋（如圖1）的應力強度因子的表達式為：

對油氣管道表面裂紋通常在計算中將其簡化為橢圓裂紋（如圖1）。

式中，p 為管道內(nèi)壓，Ri為管道內(nèi)徑，t 為管道壁厚，φ為裂紋角度。

圖1 橢圓表面裂紋

2.2 CTOD 理論

目前油氣管道多由韌性較好的材料制成，裂紋擴展前其尖端塑性區(qū)尺寸已接近或者超過裂紋尺寸，在這種情況下不能用應力強度因子理論來估計和預測管道裂紋擴展，需用彈塑性理論來研究管道裂紋，在彈塑性變形的基礎上提出了CTOD 理論。其判據(jù)的基本表達式為：

式中，δ：裂紋尖端張開位移。

Wang Y.Y.等在2004年在第四屆國際管道技術(shù)會議中提出了基于CTOD 理論的修正低約束工況管道斷裂韌性的表觀韌性，并建立了標準高約束試件的斷裂韌度與表觀韌度之間的關(guān)系，并被CSA Z662-07 納入。CTOD 理論以D-M 模型為基礎并遵循其相關(guān)假設。現(xiàn)階段CTOD 理論對于是否適合彎矩、剪力等彎曲載荷作用的情況仍需進一步研究。

2.3 J 積分

嚴格來說J 積分的計算應該采用有限元分析方法，但在實際工況中由于很多復雜因素的影響，工程中通常采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗的計算方法。對于J 積分的計算，Linkens 等在J 積分的估算中提出了RSM（Reference Strain Method)方法[2]，但其簡化過程中過高地估計J 積分導致計算結(jié)果過于保守，Schwalbe 等也提出了在平面應力的基礎下給予應變的J 積分估算式[3]。

J 積分雖然是一個理想的裂紋尖端應力、應變的表征量，但是其計算方法、計算精度在復雜工況計算時仍有待完善。目前比較好的方法主要是貼片云紋干涉法可以較好的計算出J 積分，和利用有限元分析得到管道的J 積分。

3 結(jié)束語

單參數(shù)斷裂力學中應力強度因子主要適用于線彈性范圍內(nèi)管道裂紋的擴展判定，其應用具有一定的局限性。而CTOD 理論和J 積分都可以表征彈塑性范圍管道裂紋的應力、應變情況，特別是海底管道、大跨度管道和長距離運輸管道分析更加適合。在CTOD/J 積分的基礎上，由于管道受各種載荷共同作用，其實用性仍然需要進一步了解與研究。對于管道的失效分析，單參數(shù)斷裂力學具有一定的局限性。未來有可能或者需要進一步研究的內(nèi)容有：

CTOD/J 積分在管道受到彎曲、 扭轉(zhuǎn)等載荷中是否適用；埋藏裂紋的J 積分CTOD 理論仍有待完善、優(yōu)化。

由于管道焊接處應力的非線性特征，導致管道CTOD/J 積分的計算結(jié)果不準確，因此對于管道上應力集中（彎頭、焊縫等）的特殊區(qū)域的裂紋擴展研究也需要有更深一步的研究。

[1]劉書峰.大范圍屈服下壓力容器的設計[J].接卸管理開發(fā)，2010.

[2]韓克江，帥健，王俊強，霍春勇.管道大范圍屈服斷裂評估的研究現(xiàn)狀與進展[J].力學進展，2012(42.1).

[3]劉康林，季常住.壓力管道的J 積分測量[J].油氣田地面工程，1997(16，3).