張 陽，陳嘉其，王嘉偉，彭友文

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；3.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計有限公司南寧分公司，廣西 南寧 530012；4.江西省市政工程設(shè)計研究院有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

水電站壓力鋼管在高壓水挾帶的砂石沖刷及外界物質(zhì)腐蝕作用下，管壁常發(fā)生局部減薄現(xiàn)象[1]，出現(xiàn)承載力降低、疲勞裂紋萌生、局部膨脹等問題。因此，預(yù)測局部減薄水電站壓力管道的失效模式對其安全運行非常重要。

目前，國內(nèi)外研究者對局部減薄管道失效模式開展了一些研究[2～5]。陳鋼等[6]討論了內(nèi)壓和面內(nèi)彎矩共同作用下局部減薄彎頭的典型塑性失效模式，指出局部減薄參數(shù)是影響失效模式的關(guān)鍵因素；Choi等[7]通過爆破試驗研究了不同減薄參數(shù)對X65鋼管失效機理和失效壓力的影響，并結(jié)合數(shù)值模擬預(yù)測了失效危險區(qū)域；Lee等[8]針對含有點蝕和槽形減薄兩種缺陷形式的壓力管道展開了彈塑性有限元分析，發(fā)現(xiàn)局部減薄幾何形狀對管道失效模式有較大的影響；Roy等[9]針對彎曲荷載和軸向荷載聯(lián)合作用下的局部減薄壓力管道開展了實驗和數(shù)值分析，總結(jié)了局部減薄深度、局部減薄環(huán)向長度以及減薄位置對管道失效模式的影響規(guī)律。上述研究表明局部減薄管道的失效模式受多種因素影響，然而目前研究仍未給出失效模式的判定方法。

鑒于此，本文針對采用中高強度鋼材的局部減薄水電站光面管開展了失效模式研究，選取局部減薄光面管與相應(yīng)無缺陷管道失效時塑性區(qū)體積比為失效模式量化指標(biāo)，提出了該類管道失效模式的兩級判定標(biāo)準(zhǔn)，從而建立了采用中高強度鋼材的局部減薄水電站光面管的失效模式判定方法。

1 局部減薄光面管失效機理分析方法與驗證

1.1 失效機理判定方法

采用彈塑性增量法（Elastic-plastic Incremental Analysis，簡記EPIA）開展局部減薄水電站光面管的失效機理研究，從而確定該管道失效模式的判定關(guān)系式。文中選取局部減薄管道失效時塑性區(qū)體積與相應(yīng)無缺陷管道失效時塑性區(qū)體積比為失效模式量化指標(biāo)，采用式（1）、（2）判定局部減薄水電站光面管失效模式類型：

式中，VL為局部減薄管道失效時塑性區(qū)體積，m3；V為無缺陷管道失效時塑性區(qū)體積，m3。

1.2 分析方法驗證

1.2.1 Benjamin爆破試驗

選取Benjamin[10]試驗的IDTS2試件，管材采用API X80鋼，材料屈服強度和抗拉強度分別為534.1MPa和713.8MPa，彈性模量為 2.0×105MPa，泊松比為 0.3。采用EPIA法得到極限承載力結(jié)果見表1，管道失效時的破壞模式和應(yīng)力分布如圖1。

表1 Benjamin試驗IDTS2試件[10]的極限承載力結(jié)果

由表1可知，本文極限承載力計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合良好，誤差為3.18%。同時由圖1可知，各計算方法的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在平行于管道軸線的近無減薄區(qū)域，與試驗的破壞區(qū)域和破壞模式基本一致。研究表明，失效區(qū)域限于減薄區(qū)的部分小范圍內(nèi)，管道VL/V為12.1%小于20%，屬于局部破壞，危險點出現(xiàn)在平行于軸線的近無減薄區(qū)域附近。

圖1 IDTS2試件失效的應(yīng)力分布和失效模式

1.2.2 Choi爆破試驗

選取Choi[7]試驗的LA試件，管材采用APIX 65鋼，材料屈服強度和抗拉強度分別為465MPa和565MPa，彈性模量為 2.06×105MPa，泊松比為 0.3。采用EPIA法得到極限承載力結(jié)果見表2，管道失效時的應(yīng)力分布和破壞模式如圖2所示。

由表2可知，本文極限承載力計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合良好，誤差為0.82%。同時由圖2可知，各計算方法的最大應(yīng)力出現(xiàn)在減薄中心的部分區(qū)域，與實驗的破壞區(qū)域和破壞模式基本一致。研究表明，失效區(qū)域沿減薄環(huán)向和軸向不斷發(fā)展從而導(dǎo)致管道失效爆裂，管道VL/V為91.2%大于60%，屬于整體破壞，危險點出現(xiàn)在減薄區(qū)域中心。

表2 Choi試驗LA試件[7]的極限承載力計算結(jié)果

圖2 LA試件失效時的應(yīng)力分布和失效模式

2 計算模型與參數(shù)

圖3為兩端埋設(shè)在鎮(zhèn)墩中的采用中高強度鋼材的局部減薄水電站光面管示意圖，其管跨為L，減薄軸向長度為2A、減薄環(huán)向長度為2B（對應(yīng)2θ）和減薄深度為C。管材采用Q345D鋼材，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[12]如圖4所示，管道尺寸和材料參數(shù)如表3所示。采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，采用20節(jié)點的SOLID95單元模擬管壁，同時采用槽形凹坑模擬局部減薄區(qū)域，圖5為根據(jù)對稱性取1/4管段建立的有限元計算模型，對無缺陷區(qū)域管壁沿厚度方向劃分4層單元、存在局部減薄的區(qū)域劃分2層單元，并在減薄部位沿管軸向和環(huán)向精細(xì)劃分單元。

圖3 局部減薄壓力鋼管計算模型

表3 管道尺寸和材料參數(shù)

圖4 Q345D的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖5 局部減薄壓力鋼管有限元網(wǎng)格

為方便下文開展研究，將管道部分體型參數(shù)和局部減薄參數(shù)進(jìn)行無量綱化：

式中，l為無量綱化的管道跨度；a、b和c分別為無量綱化的局部減薄軸向半長、環(huán)向半長和深度。

3 局部減薄水電站光面管失效模式判定

3.1 局部減薄幾何參數(shù)對失效模式的影響

為揭示單個局部減薄參數(shù)對局部減薄光面鋼失效模式的影響規(guī)律，取以下無量綱化局部減薄幾何參數(shù)計算方案：a=1、2、3、4、5、6、7、8、9、10，b=0.2，c=0.5；a=5，b=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，c=0.5；a=5，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8，結(jié)果如圖6所示，其中點劃線為整體失效量化指標(biāo)下限，虛線為局部失效量化指標(biāo)上限。

圖6 單個局部減薄參數(shù)對失效模式的影響規(guī)律

由圖6（a）可知，無量綱化局部減薄軸向?qū)挾萢的變化對失效時有一定影響，隨著a的增加逐漸降低，當(dāng)a增大到10時為73.1%，仍高于整體失效量化指標(biāo)下限，則管道總體上為整體失效模式。由圖6（b）可知，無量綱化局部減薄環(huán)向?qū)挾萣的變化對失效時的影響較小影響可忽略，均約為95.2%，高于整體失效量化指標(biāo)下限，為整體失效模式。由圖6（c）可知，無量綱化局部減薄深度c≤0.5時，c對失效時VL/V的影響基本可忽略，VL/V高于整體失效量化指標(biāo)下限，均為整體失效模式；c>0.5時，VL/V將迅速下降，且低于局部失效量化指標(biāo)上限，則失效模式由整體失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫植渴Ｊ健?/p>

3.2 管道跨度l對失效模式的影響

考慮到管道設(shè)計相關(guān)規(guī)范[13]對跨度與彎曲應(yīng)力的要求，無量綱化管道跨度l應(yīng)不大于4.0，故無量綱化管道跨度l分別取1、2、3和4，同時考慮到減薄環(huán)向長度b對失效模式的影響不大，故計算中b僅取0.2，局部減薄軸向長度a分別取0.6、2.0、5.0和7.0，局部減薄深度c分別取0.3、0.5和0.7，結(jié)果如圖7所示。

圖7 管道跨度l對失效模式的影響規(guī)律

由圖7可知，隨著無量綱化管道跨度l的增大，VL/V呈降低趨勢，尤其圖7（c）所示c達(dá)0.7時，有一定的降幅?？傮w而言，l變化未改變管道的失效模式，其原因是在有限管長下跨中水重產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于由內(nèi)壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力對局部減薄管道應(yīng)力分布和失效模式的影響，所以可不考慮光面管跨度對局部減薄管道失效模式的影響。

3.3 局部減薄幾何參數(shù)聯(lián)合作用對失效模式的影響

根據(jù)前述影響規(guī)律研究，光面管的失效模式僅考慮a、c的聯(lián)合作用。取以下計算方案：a=0.6、1、2、3、4、5、6、7、8、9和10，b=0.2，c=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9，結(jié)果如圖8和表4所示。

結(jié)合圖8和表4可知，局部減薄參數(shù)聯(lián)合作用下的失效模式規(guī)律為：當(dāng)c≤0.5時，管道失效模式僅由局部減薄厚度控制，否則管道失效模式由局部減薄厚度和局部減薄軸向長度共同控制。以上研究表明，為了保障在役管道結(jié)構(gòu)運行安全，需要及時檢查管道減薄c值和a值是否超標(biāo)，以預(yù)防發(fā)生局部失效問題。

表4 局部減薄參數(shù)與失效模式的對應(yīng)關(guān)系

圖8 局部減薄參數(shù)聯(lián)合作用下壓力鋼管的失效模式

表5 局部減薄水電站光面管的失效預(yù)測

4 局部減薄水電站光面管的失效預(yù)測

為驗證本文對減薄管失效模式判定的可靠性，將本文預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有試驗結(jié)果進(jìn)行對比。由表5可知，本文方法能較好地預(yù)測局部減薄壓力管道的失效模式，可為局部減薄壓力管道安全評估提供參考。

5 結(jié)論

本文開展了采用中高強度鋼材的局部減薄水電站光面管失效模式判定研究，研究表明：

（1）局部減薄環(huán)向長度和管道跨度對局部減薄水電站光面管失效模式的影響很小，可以忽略。

（2）局部減薄軸向長度和局部減薄深度是影響局部減薄水電站光面管失效模式的2個關(guān)鍵參數(shù)，文中給出了失效模式與2個關(guān)鍵參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系。

（3）為了保障在役管道的安全運行，需要及時檢查管道減薄軸向長度和深度是否超標(biāo)。