韧度K s，其中，K1为钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的 裂纹尖端应力强度因子。
[0050] 本发明实施例通过测试钢铁结构所用的材料的屈服强度和抗拉强度，计算钢铁结 构在设计工况下裂纹达到允许最大尺寸时的载荷比和安全断裂比，根据裂纹达到允许的最 大尺寸时的裂纹尖端应力强度因子与安全断裂比的比值来确定钢铁结构的安全断裂韧度。 由于采用普通的拉伸试样，试样容易制备，避免了测定钢铁结构所用的材料的平面应变断 裂韧度的特殊条件要求带来的费用高、试验周期比较长和无法制备满足尺寸要求的试样的 问题，同时测试钢铁结构所用的材料的屈服强度和抗拉强度确定安全断裂韧度的实现过程 简单快捷，有利于工程应用。另外，技术方案综合考虑了钢铁结构的断裂失效模式和塑性变 形失效模式，确定的安全断裂韧度精确可靠，在钢铁结构设计中，既可防止断裂失效，又可 防止过量塑性变形失效，从而有效地降低了钢铁结构的失效概率。
[0051] 实施例二
[0052] 本发明实施例提供了一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法，参见图2,方法包 括：
[0053] 步骤201 :测试钢铁结构所用的材料的屈服强度〇 y和抗拉强度〇 u。
[0054] 其中，屈服强度〇y和抗拉强度〇u可以利用普通的单轴拉伸试验测取，可以采用 万能材料试验机(或者电子万能材料试验机）来测试。
[0055] 在本实施例中，在步骤201之前还包括取得钢铁结构所用的材料的试样。该试样 通常为普通的拉伸试样。
[0056] 步骤202 :确定钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应力 0 ref°
[0057] 在实际应用中，可以参考本领域相关标准(例如API579-1-2007)、手册或者文献根 据结构类型等选择适用的公式来计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时 的参考应力〇 ref。
[0058] 在步骤202之前该方法还可以包括：确定钢铁结构在设计工况下允许产生的裂纹 的最大尺寸。
[0059] 确定钢铁结构在设计工况下允许产生的裂纹的最大尺寸，也就是钢铁结构所用的 材料的试样在与设计工况相同或相似的试验条件下，试样在试验中刚好到达失稳断裂时的 裂纹的尺寸，也可以称为临界裂纹尺寸，可以用裂纹的主平面上的裂纹平均深度和长度表 示。具体地，可以采用游标卡尺或者螺旋测微器等显微观测仪器测量裂纹的深度或者测量 裂纹的长度。
[0060] 步骤203 :计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的载荷比L,。 [0061] 具体地，根据步骤201中测试的钢铁结构所用的材料的屈服强度 〇 y和步骤202 中确定的钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应力σ Mf，再利用公式 〇 Mf/ 〇 y即可计算出载荷比L。载荷比L可以用来反映钢铁结构在设计工况下的载荷 水平。
[0062] 步骤204:当载荷比Lr满足Lr彡（〇y+ 〇uV(2· 〇y)时，根据公式Kr= (1-0. 14L/) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L/)]计算钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安全断 裂比Kjr。
[0063] 其中，exp表示以自然常数e为底的指数函数。该安全断裂比心可以用来反映钢 铁结构在设计工况下的抗断裂的能力。
[0064] 当载荷比1^满足1^>((^+〇11)八2*(^)时，确定安全断裂比心=+->，此时，安全断 裂韧度Ks=0。在实际应用中就认为钢铁结构所选用的材料强度无法满足设计工况的需求。 [0065] 步骤205 :根据公式Ks=K t /K,计算钢铁结构的安全断裂韧度Ks。
[0066] 其中，K1为钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的裂纹尖端应力强 度因子，是反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量。它和裂纹大小、构件几何尺寸以及外载 荷有关，其值可以参考本领域相关标准(例如API579-1-2007)、手册或者文献根据结构类型 等选择适用的公式来计算。
[0067] 需要说明的是，当钢铁结构发生改变时，相应的安全断裂韧度也将随之变化，即不 同的钢铁结构对应不同的安全断裂韧度。
[0068] 下面以某一规格为Φ 1219X 18. 4mm、设计压力为12MPa的X80天然气输送管道工 程为例来说明步骤201至步骤205。
[0069] 根据管道钢管的规格参考相关标准制备钢管横向拉伸试样，利用材料拉伸试验机 进行单轴拉伸试验后，测得钢管横向的屈服强度〇y=555MPa，抗拉强度〇u=625MPa;
[0070] 确定设计允许的钢管半椭圆状轴向外表面裂纹最大尺寸参数为：裂纹深度 a=t/4=4. 6mm (钢管壁厚 t=18. 4mm)，裂纹长度 2c=20a=92mm。参考标准 API579-1-2007 查询 得到钢管半椭圆状轴向外表面裂纹的参考应力σΜ?的计算公式为：
【主权项】
1. 一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法，其特征在于，所述方法包括： 测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度Oy和抗拉强度Ou; 根据公式Lf 〇 Mf/ 〇 y计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的 载荷比Lp其中，0 为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应 力； 当所述载荷比Lr满足Lr彡（〇y+ 〇uV(2 ? 〇y)时，根据公式Kr=(l-〇. 14Lr2) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L,6)]计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂比 根据公式Ks=K1Z^计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂韧度Ks，其中，K1为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的裂纹 尖端应力强度因子。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，当所述载荷比L满足L，（ 〇 y+ 〇 u)八2 ? 〇 y) 时，所述安全断裂比心=+~。
3. 根据权利要求2所述方法，其特征在于，当所述安全断裂比&=+…时，所述钢铁结构 在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安全断裂韧度K s=0。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试所述钢铁结构所用的材料的屈 服强度％和抗拉强度〇 u，包括： 采用单轴拉伸试验测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度〇y和抗拉强度〇 u。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述单轴拉伸试验采用万能材料试验机。
6. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法还包括： 确定所述钢铁结构在设计工况下允许产生的裂纹的最大尺寸。
7. -种钢铁结构设计的安全校核方法，其特征在于，所述方法包括： 测试所述钢铁结构所用的材料的屈服强度〇y和抗拉强度〇u; 根据公式L= 〇 Mf/ 〇 y计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的 载荷比L，其中，〇 为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应 力； 当所述载荷比Lr满足Lr彡（〇y+ 〇uV(2 ? 〇y)时，根据公式Kr=(l-〇. 14Lr2) [0. 3+0. 7eXp(-0. 65L,6)]计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂比 根据公式Ks=K1Z^计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的安 全断裂韧度Ks，其中，K1为所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的裂纹 尖端应力强度因子； 根据K1与Ks的大小关系判断所述钢铁结构的设计是否安全。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据K1与Ks的大小关系判断所述钢 铁结构的设计是否安全，包括： 当K1 < Ks时，判定所述钢铁结构的设计安全； 当K1Xs时，判定所述钢铁结构的设计不安全。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 当判定所述钢铁结构的设计不安全时，采用降低所述钢铁结构的设计载荷、增加所述 钢铁结构的壁厚、提高所述钢铁结构所用的材料的等级的一种或多种手段，以使改变后的 所述钢铁结构的设计是安全的。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述钢铁结构为钢板、型钢或钢管。
【专利摘要】本发明公开了一种钢铁结构的安全断裂韧度的确定方法和钢铁结构设计的安全校核方法，属于材料力学性能测试技术领域。所述方法包括：测试钢铁结构所用的材料的屈服强度σy和抗拉强度σu；根据公式Lr=σref/σy计算所述钢铁结构在设计工况下裂纹达到允许的最大尺寸时的载荷比Lr，其中，σref为所述裂纹达到允许的最大尺寸时的参考应力；当载荷比Lr满足Lr≤(σy+σu)/(2·σy)时，根据公式Kr=(1-0.14Lr2)[0.3+0.7exp(-0.65Lr6)]计算钢铁结构的安全断裂比Kr；根据公式Ks=KΙ/Kr计算安全断裂韧度Ks，其中，KΙ为所述裂纹达到允许的最大尺寸时的裂纹尖端应力强度因子。本发明避免了测定材料的平面应变断裂韧度的特殊条件要求带来的费用高和花费时间长的问题，通过测试材料的屈服强度和抗拉强度确定安全断裂韧度的实现过程简单快捷，有利于工程应用。
【IPC分类】G01N3-08
【公开号】CN104807697
【申请号】CN201410040118
【发明人】王海涛, 陈宏远, 吉玲康, 张广利, 池强, 黄呈帅, 张伟卫, 齐丽华, 王鹏
【申请人】中国石油天然气集团公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2014年1月27日