水压试验对受压构件影响的解释
水压试验对受压构件影响的解释
摘要：天然气、输油构筑物施工安装后，必须在安装前和调试期间定期进行水压试验。这些水压试验可分为两类：阻力试验和防漏试验。过载的应用是一个壮观的现象，可以作为测试在压力下工作的部件的例子。这是一种破坏性的控制方法。如果管道中存在与验证试验相关的关键故障，则后者将被破坏。如果没有，则低于临界值的缺陷将由于过载的影响而减缓甚至消除疲劳扩展。采用二维有限元方法分析了变幅加载条件下裂纹管的塑性闭合现象。为了准确地捕捉这一过程，所采用的材料模型的选择是非常重要的，因此本文考虑了具有各向同性硬化和非线性运动硬化的Lemaitre-Chaboche模型。研究表明，采用该模型可以获得显著的结果。
1. 介绍
在工业结构中，压力容器和更普遍的金属结构是几十年来的主要研究课题。它主要涉及损伤模式和相关载荷类型的识别。为确保大型结构和工业部件的完整性，必须考虑缺陷的存在，并确定由于这些缺陷的存在而产生、扩展和停止裂纹的条件[1]。在工业部门，管道已被用作最经济、最安全的石油和天然气运输工具。然而，随着其使用量的增加，事故数量大大增加。因此，管道是工业结构的组成部分，其损坏会给人的生命和生态环境带来风险，与经营损失有关，通常会造成相当大的经济损失。
出于明显的安全原因，压力设备中存在裂纹需要精确地知道其损坏程度。当裂纹在循环荷载下扩展时，快速评估这种损伤程度的演变，更具体地说是裂纹结构的剩余寿命。对管道或圆柱形管道事故的检验表明，在某些情况下，传统的阻力计算方法不能给出可靠的尺寸标注。
在许多应用中，只需施加比其工作压力更高的液压即可对压力容器进行测试。如果在等于两倍工作压力的压力下未发生失效，则在正常工作条件下，应力最多等于断裂应力的一半。如果在水压试验过程中确实发生了破裂，则不会有人受伤，因为储存在加压水中的能量很低。管道的定期测试至关重要，因为裂纹会随着疲劳、腐蚀、疲劳腐蚀等而增长。这一过程的安全性主要源于这样一个事实，即在这种应用类型中，裂纹往往增长缓慢。
本文报道了对两个延性材料管试件进行疲劳模拟的结果。在循环载荷作用下，解释了尖端附近的裂纹闭合。为了解释观测结果，本研究采用了具有各向同性硬化和非线性运动硬化的Lemaitre-Chaboche模型。
2. 循环荷载作用下的建模行为
本节中建模的材料为API-X60微合金钢，用于碳氢化合物和天然气运输行业[2]和AISI304L不锈钢，具有跳闸效应（相变诱导塑性），广泛用于核工业。对这种材料的循环行为的研究表明，在施加应力试验期间，这种材料具有非常显著的鲍辛格效应，即循环硬化或软化，以及产生未灭菌应变的滞后约束环。这种现象通常被称为罗切效应。为了模拟这类材料的行为，我们使用了一个模型，该模型考虑了包申格效应和罗切效应。我们分析了Chaboche和Lemaitre[8]提出的循环行为的不同模型。结果表明，为了考虑这两种现象，有必要采用各向同性硬化和非线性运动硬化耦合的模型。
我们使用各向同性硬化和运动非线性的弹塑性行为定律。该定律由LemaitreChaboche开发，基于经典塑性方案。材料荷载面由一个荷载函数描述，该荷载函数取决于应力张量、材料的弹性极限σ、各向同性硬化变量R和非线性运动硬化变量X。荷载函数采用Von Mises准则编写如下：
其中J是约束偏离子的第二不变量。
各向同性硬化变量R随累积塑性变形速率增加而增大，其演化规律为：
b和Q是各向同性硬化参数，取决于材料。ε̇eq pis等效塑性变形率（累积）。
非线性运动硬化变量包含在张量X中；其演变由以下关系式描述：
C和γ是材料的参数，ε̇p是塑性应变率张量。
描述弹塑性本构定律材料的关系是从先前的关系式中推导出来的，在单调单轴荷载的情况下表示如下：
图1. 牵引压缩中的Rochet效应
表1. 行为定律的参数
在拉伸压缩试验的情况下，当最大和最小应力Δσ=σmax−σminis的变化大于2R时，就会发生变形（Rochet效应）（图1）。
Rochet的变形表示如下：
模型参数：b、Q、C、γ已经确定了材料。它们的值以及杨氏模量、泊松比和弹性极限值如表1所示。
3. 模型的实施
上述模型已在Abacus/标准有限元程序中实现。实现工作分两步进行：第一步，用二维单元CPE4实现了弹塑性-各向同性硬化和非线性运动学本构关系。在第二步中，我们对一根管子进行了循环载荷模拟。这些模拟使我们能够模拟静水压力。
管的一部分用于模拟循环荷载（图2）。该试管的外径为De，厚度为t，预裂后的韧带长度为t-a，约为0.4 a t。本节中提到的所有数值模拟中使用的模拟管（De=219 mm，t=12.7 mm和a=5.08 mm）如图2所示。计算是在二维中进行的，由于假设的对称性，只有一半的样本被建模。
实现了一个结构化网格，并逐步加密到裂纹尖端。大多数试件试验中使用的单元为四边形CPE8R（一种8节点双二次平面应变四边形，约化积分）；除了在精细啮合零件和另一个密度较低（图3）的过渡区域，需要使用CPS6M型元件（一个6节点修正的二次平面应变三角形）来连接。使用相同尺寸的四边形单元（第7侧）对以裂纹尖端为中心的长度为1mm、高度为0.5mm的区域进行网格划分。载荷施加在管子的内表面。对称和加载条件已应用于试件。从裂纹尖端到试管底部的一个区域被堵塞（没有垂直位移，也没有绕垂直于房间的轴线旋转）。所有这些条件如图3所示。
4. 循环荷载下的模拟结果
4.1 振幅恒定
在本研究中进行的有限元计算使用了在对速度开裂进行收敛计算后获得的宽度为7μm的单元（图4）；即网格尺寸减小到该速度稳定为止。
我们在等幅循环荷载下进行了几次模拟。图5是根据位于裂纹尖端的单元在加载方向上的总变形表示的约束，图6显示了20个循环后裂纹尖端的Von Mises应力。
图2. 算盘模拟网格管的零件（1/4）
图3. 网格表示，边界条件和载荷
图4. 裂纹尖端单元尺寸
图7a显示了API X60管子在12个循环载荷（振幅为6 MPa）的作用下，裂纹端部第1、2和10个元件的变形振幅的变化。
图7b显示了响应稳定后，裂纹末端下游变形（塑性和总变形）分布示例。这个例子代表了所进行的数值结果，其中观察到只有靠近裂纹尖端的四个单元的变形对计算开裂率有显著贡献，AISI 304 L管的情况。
4.2 变幅
恒幅和变幅载荷下的力学行为预测之间存在根本区别。在文献中，我们发现许多关于变幅载荷对疲劳裂纹扩展影响的研究。我们在这里讨论一些实验观察到的现象。
当以恒定振幅对疲劳结构施加单位超载时（图8），超载的影响，与我们可以想象的相反，是有益的。过载延迟裂纹的扩展（图。10和11）。施加过载后观察到的延迟现象在文献中是众所周知的，并且是许多著作的主题[9,16]。例如，在对在压力下工作的部件（锅炉、管道等）进行试验时，可以利用这种壮观的现象。
这种破坏性控制方法包括对结构施加过载。如果结构中存在与试验相关的关键故障，则后者将被破坏。否则，在临界载荷作用下，结构不会发生断裂，在超载作用下，疲劳会减缓甚至消除缺陷。
图5. AISI 304 L管在6 MPa荷载下的应力-应变循环
图6. 在AISI 304 L管的情况下，20个循环后裂纹尖端的Von Mises应力表示
图7a. API-X60管情况下，裂纹端部构件变形振幅的变化。b：在AISI 304 L管的情况下，裂纹末端构件变形振幅的变化
图8. 过载的定义
5. 解释
当疲劳裂纹扩展时，在其末端产生一个塑性区。如果裂纹继续扩展，它周围会有塑性尾迹。因此，在一个加载循环中，材料的弹性放电在塑性尾迹上产生压应力：这种闭合现象是由层压引起的。Elber是第一个在放电过程中，当标称应力还不为零时，观察到裂纹的过早接触唇。在整个循环的底部，裂缝保持闭合。因此，当试样通常处于拉伸状态时，裂纹可以保持闭合状态，直到出现称为张开约束σop的应力（图9）。由于应力强度没有传递到裂纹的末端，因此后者保持闭合。实际（有效）影响扩展的应力Δσeff的振幅定义为：
裂纹闭合对扩展曲线的影响转化为应力强度因子振幅ΔK=Kmax−Kmin的降低。只有振幅ΔKeff=Kmax−Kopis实际传输到裂纹末端。
图10和11分别显示了最大损伤试件中法向应力σ22随法向变形ε22的演变。约束值和变形值随着过载的应用而变化，然后从第24个加载周期开始迅速稳定。
结果表明，过载使最大法向应力显著降低，从1715MPa降至1660MPa。另一方面，约束法向压缩的绝对值从1427mpa增加到1732mpa。变形法向Δε22的振幅也略有增加。材料在第一个循环荷载下塑化，第20个循环的超载再次导致相当显著的塑化，随后在其他循环中发生塑性调节。
过载的引入会导致预期寿命延长。因此，过载是有益的，因为它通过引入残余压缩应力延迟疲劳裂纹的萌生，从而提高管壁的疲劳强度。
随着时间的推移，管道通常会受到可变机械载荷的疲劳现象。为了预测结构的寿命，最好是说变幅，因为通常尺寸计算是通过考虑代表所研究结构寿命的加载序列来进行的。
恒载幅和变载幅下疲劳扩展的预测存在根本性差异。对于等幅加载，扩展增量取决于裂纹长度和外加载荷。对于变幅加载，扩展增量进一步取决于裂纹承受的载荷历史。过载的应用是一种引人注目的现象，可用于测试在压力下工作的部件（锅炉，管道等）。这种破坏性控制方法包括对结构施加过载。如果管道中存在与试验相关的关键缺陷，则后者将被破坏。否则，亚临界缺陷将因过载效应而减缓甚至消除其随后的疲劳扩展。
单次过载变幅载荷对疲劳寿命和疲劳裂纹扩展速率有很大影响。随着单次过载比的增大，疲劳寿命增加，疲劳裂纹扩展速率降低。
图9. 塑性引起闭合现象的示意图
图10. 施加超载前后，最大荷载构件的变形演变
图11. 应力-应变曲线反映了超载的影响
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