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维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报 第 32卷 第 2期 2008年 4月 JOURNAIOFDAQINGPETROIEUM INSTITUTE Vo1．32 No．2 Apr． 2008 薄壁管道穿透裂纹应力强度因子修正系数分析 孙建刚 ，盛 燕 ，卢胜勇。，崔利 富 (1．大连 民族学院 土木建筑工程学 院，辽宁 大连 116000； 2．锦州市建筑设计研究 院，辽 宁 锦州 121000； 3．中国 石油锦州石油化工公司 ，辽宁 锦州 121000； 4．大庆石油学 院 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318) 摘 要 ：利用有限元法 ，计算薄壁管道 穿透裂纹 的裂尖应力强度 因子及其修正系数 ；采用非线性 回归分析方法 ，利用 Matlab对数据进行拟合计算 ，得到不同情况下裂纹尖端应力强度因子修正系数 与裂纹长度 、管道半径 、壁厚 、裂纹方向与 管道轴线方 向的夹角之问的关系表达式 ．利用应力强度 因子修正系数可评定管道 的安全性 ，为大管径压力管道的完整性 评价提供依据． 关 键 词 ：穿透裂纹；应力强度 因子 ；修正系数 ；薄壁管道 中图分类号 ：TU173 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2008)02—0079—04 0 引言 在利用断裂力学或失效评定图的方法对含裂纹管道进行完整性评价时，需要事先知道裂纹尖端 的应 力强度因子 ，其计算 的前提条件是径厚 比小于20．文献[1，2]给出用权函数法计算表面椭圆裂纹的应力强 度因子方法 ，但其要求的径厚 比小于 10．必须有同样裂纹构型的部分已知结果作为支持，才能使用权函数 法．因此，对于径厚比大于 10的薄壁长输管道 ，此方法并不适用．薄壁管道计算一般按壳体进行评价，裂 纹分为表面裂纹 、穿透裂纹和埋藏裂纹 ，其中表面裂纹和埋藏裂纹可以根据等效应力强度 因子方法换算为 穿透裂纹进行处理 ，因此只需要求解穿透裂纹的裂尖应力强度因子 ，即可为管道完整性评价提供补充． 1 应力强度因子理论解 平面上 I型裂纹尖端 区域应力强度因子 K _3为 K 一 ， (1) 式中：为工作应力 ；L为裂纹长度． 在大管径的薄壁管道曲面上 ，裂纹受轴向和环向应力作用川．将环 向应力 ( 一 ，其 中D为管道 直径 ，f为管遭壁厚 ， 为管道 内压)和轴 向应力 (：一p百D)沿着垂直和顺着裂纹 的方 向分解 ， 裂纹的工作 应力 为 —c。sa+zsina一喾(2c。sa+sina)， (2) 式中：a为裂纹方向与管道轴线方 向的夹角；R为管道半径．将式 (2)代入式 (1)，并考虑管道曲面与平面的 不同，引入裂纹尖端应力强度因子修正系数 F，则管道面上裂纹尖端应力强度因子 K为 K 一 -(2c。sa-4-sina) ·F 一 · = F ·K I． (3) t 由式 (3)可 以看出，在管道 裂纹形状一定 的情况下 ，F 的变化规律反映裂纹尖应 力强度 因子 的变化 规律 ． 收稿 日期 ：2007—01—18；审稿人 ：邹龙}夫：编辑 ：ft志平 作者简介：孙建刚 (1957一)，男 ，博士 ．博 {q导帅 ．教授 ．主要从事结构控制与防震减灾方面的研究 维普资讯 大 庆 石 油 学 院 学 报