[發明專利]一種金屬管材斷裂韌度的檢測方法及系統

在審

• 申請號: 201710552205.4
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN109211695A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 郭西水;商劍鋒;黃雪松;劉曉敏;李楹;王振華;趙國瑜;伍丹丹
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司中原油田分公司石油工程技術研究院
• 主分類號: G01N3/30
• 分類號: G01N3/30
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 吳敏

本發明涉及一種金屬管材斷裂韌度的檢測方法及系統，屬于斷裂韌度測試技術領域。本發明根據夏比V型試樣在動態沖擊試驗中的裂紋擴展特性，將待測金屬管材制作成夏比V型試樣，建立夏比V型試樣在裂紋擴展過程中施力點載荷與施力點位移的對應關系，結合三點彎標準試樣SEB在靜態沖擊試驗中的裂紋擴展特性，建立夏比V型試樣在裂紋擴展過程中施力點載荷與實際裂紋長度的對應關系，進而確定出裂紋擴展過程中的應力強度因子與實際裂紋長度的對應關系，最終確定出金屬管材的斷裂韌度值。本發明得到的檢測結果與雙懸臂梁試樣DCB測試的結果一致，且整個檢測過程采用的是循環迭代的數學模型處理方式，所需參數少，計算過程簡單，測量誤差小。

技術領域

本發明涉及一種金屬管材斷裂韌度的檢測方法及系統，屬于斷裂韌度測試技術領域。

背景技術

工業生產中應用大量金屬管材作為流動介質的傳輸通道，金屬管材隨著服役時間的增加，面臨的安全風險逐漸增大，其中金屬管材開裂帶來的安全隱患逐步顯現，尤其涉及高含硫天然氣等危險介質傳輸的金屬管材一旦開裂，有可能引發嚴重的安全事故，因此，研究金屬管材的抗開裂性能十分必要，有助于明確金屬管材運行狀態，為后續風險分析和研究打下堅實的基礎。

工程結構中有一種缺陷是裂紋，即為有一定長度而其端點為極其尖銳的裂縫。彈性分析表明，一旦確定了裂紋頂端附近區域內某一點的位置，應力強度因子K便確定了該點處的應力、位移及應變。應力強度因子K則是構件幾何、裂紋尺寸與外載荷的函數，它表征了裂紋尖端所受載荷和變形的強度，是裂紋擴展趨勢或者裂紋擴展推動力的度量。應力強度因子K隨著裂紋長度及外加應力的變化而變化。在彈塑性條件下，當應力場強度因子K增大到某一臨界值，裂紋便失穩擴展而導致材料斷裂，這個臨界或失穩擴展的應力場強度因子即斷裂韌度K_IC，它反映了材料抵抗裂紋失穩擴展即抵抗脆斷的能力。

金屬管材的抗開裂性能與其斷裂韌度緊密相關，斷裂韌度是材料的一個特性常數，國家標準GB4161-2007《金屬材料平面應變斷裂韌度K_IC試驗方法》給出了斷裂韌度的測試方法，該標準中將金屬管材加工成三點彎標準試樣SEB和標準緊湊拉伸試樣CT。另外，還有一些國內外測定金屬管材斷裂韌度的相關標準，將金屬管材加工成雙懸臂梁試樣DCB。斷裂韌度測試標準中對試樣的尺寸有嚴格限制，否則測定數值將偏離材料斷裂韌度K_IC真值，對于普通碳鋼，除雙懸臂梁試樣DCB壁厚為固定值9.53mm(±0.05mm)以外，其余方法要求壁厚大于25mm，近年來新應用的高強度鋼，通過相關標準的公式計算，甚至要求壁厚大于40mm，對壁厚10mm-25mm的金屬管材，雙懸臂梁試樣DCB的測試方法是國際公認的測定斷裂韌度的方法，但雙懸臂梁試樣DCB加工復雜，試樣加工精度要求高，造成成本高，試驗周期比較長，不適用于大批次金屬管材的測定和優選，因此需要一種能夠簡單、廉價和快速測定金屬管材斷裂韌度的方法。

沖擊功也是描述材料韌性的重要參量之一，是由夏比沖擊試驗獲得，國家標準GB/T19748-2005《鋼材夏比V型缺口擺錘沖擊試驗儀器試驗方法》詳細規定了試驗過程，試驗機的擺錘從起始高度落下沖擊夏比V型試樣，沖擊過程中的載荷、位移、沖擊功等數據由電腦系統記錄形成曲線。沖擊功可以分解為起裂功和裂紋擴展功，對于夏比V型試樣，試樣厚度為10mm，預制裂紋是夾角為45°的V形缺口，底面的曲率半徑為0.25mm，并不是真正意義的裂紋，因此，在沖擊過程中，V形缺口首先發生材料的屈服，然后才會出現開裂，起裂功表征了這一過程，當裂紋出現后，試樣的斷裂就進入了裂紋擴展過程，此時沖擊消耗的能量對應的是裂紋擴展功，裂紋擴展功表征了材料從出現裂紋到完全斷裂的裂紋擴展過程，更客觀的評價了金屬管材抵抗裂紋擴展的能力，因此，在評價金屬管材斷裂性能時需要區分起裂功和裂紋擴展功。