管道環(huán)焊縫評估中離散斷裂韌性數(shù)據(jù)的處理*

曹思可,池 強(qiáng)，陳宏遠(yuǎn)，張驍勇

(1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 陜西 西安 710065；2.中國石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室 陜西 西安 710077)

0 引 言

進(jìn)行長輸油氣管線建設(shè)的最主要環(huán)節(jié)之一是現(xiàn)場的鋼管對接環(huán)焊[1]。由于工藝、技術(shù)以及現(xiàn)場環(huán)境等因素的影響，現(xiàn)場的環(huán)焊往往容易產(chǎn)生夾雜、氣孔和未熔合等缺陷。在內(nèi)壓和附加外部載荷作用下，缺陷是否會引起管道的斷裂，取決于材料斷裂韌性的高低。因此斷裂韌性數(shù)據(jù)是環(huán)焊縫“合于使用”的工程臨界評價(ECA)的重要信息。在管道環(huán)焊縫的斷裂韌性測試中，為了更加準(zhǔn)確地反映所測結(jié)構(gòu)的性能，通常會進(jìn)行多次試驗，但多次試驗得到的數(shù)據(jù)往往是離散的，根據(jù)經(jīng)驗篩選數(shù)據(jù)或取最低值往往會導(dǎo)致不精確或過分保守的結(jié)果，這會對工程臨界評價的質(zhì)量造成影響。因此有必要結(jié)合相關(guān)研究進(jìn)展及評估標(biāo)準(zhǔn)如API RP 579/ASME FFS-1—2016和BS 7910—2019等[2-4]，獲得合適的環(huán)焊縫斷裂韌性數(shù)據(jù)的處理方法。

本文將依據(jù)API RP 579/ASME FFS-1—2016和BS 7910—2019等標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)條款規(guī)定，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計理論，論述3種離散斷裂韌性數(shù)據(jù)處理方法。第1種是對3個以上斷裂韌性數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分析的MOTE(The minimum of three equivalent)方法[5]，第2種是用于較多斷裂韌性數(shù)據(jù)處理的分布擬合方法[2]，最后1種是評估材料韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)斷裂韌性的主曲線法[6]。

1 MOTE方法

通常情況下測試斷裂韌性，最少要進(jìn)行3次試驗，在ECA中使用3次試驗的最低值。但對于有些情況，如試驗數(shù)據(jù)不符合要求或者評估需要更可靠的數(shù)據(jù)，名義上相同的試樣需要進(jìn)行更多試驗并獲得3個以上有效斷裂韌性測試數(shù)據(jù)。MOTE方法是一些標(biāo)準(zhǔn)和完整性評定指南處理3個以上斷裂韌性數(shù)據(jù)所推薦的1種方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)BS 7910—2019和SINTAP工作手冊要求，當(dāng)3次測試結(jié)果的最低值小于平均值的70%或者最高值大于平均值的140%時，需進(jìn)行更多測試，并且建議采用MOTE分析方法[2,7]。

MOTE方法的實質(zhì)是通過計算獲得與3個數(shù)據(jù)取最低值等效的斷裂韌性數(shù)據(jù)，具體如下。

假設(shè)x為斷裂韌性數(shù)據(jù)分布的第50百分位數(shù)，根據(jù)二項分布概率公式(1)或者(2)可得，3個斷裂韌性測試數(shù)據(jù)有1個或者多個值小于(即不全大于)第50百分位數(shù)的概率為87.5%(α=50%，n=3)。即有87.5%的置信度，3個數(shù)據(jù)的最低值可以保守代表第50百分位數(shù)。

(1)

Pr=1-(1-α)n

(2)

式中：Pr為置信度，%；α為百分位數(shù)，%；n是試驗次數(shù)。

根據(jù)上述方法，假設(shè)n(n≥3)次試驗有至少m個數(shù)據(jù)小于第50百分位數(shù)的概率為87.5%，則有87.5%的置信度，n個數(shù)據(jù)值的第m低值可以保守代表第50百分位數(shù)。m的值可以根據(jù)公式(3)或者公式(4)求出。

(3)

(4)

為了考察MOTE方法的質(zhì)量，T Jutla等人[5]對一定樣本的斷裂韌性試驗數(shù)據(jù)[8]進(jìn)行了分析，試驗次數(shù)以3為增量，從3次到30次，每個試驗次數(shù)通過蒙特卡洛模擬對應(yīng)取了10組數(shù)據(jù)并通過公式(3)計算了每組數(shù)據(jù)取第幾低的值與3個數(shù)據(jù)取最低值等效，結(jié)果見表1前兩列。由表1可知從6次到30次試驗，取第幾低的值與3個值取最低值是基本等效的或具有近似安全水平。此外,T Jutla將這些測試數(shù)據(jù)用于裂紋尖端張開位移(The crack tip opening displacement，CTOD)設(shè)計曲線，估計允許裂紋尺寸，并與寬板拉伸試驗中相應(yīng)的臨界裂紋尺寸比較，得到了對應(yīng)的安全系數(shù)，分析結(jié)果見表1后3列。

表1 小尺度與大尺度試驗預(yù)測裂紋尺寸的表觀安全系數(shù)[5，9]

可以看出，取3次試驗的最低值、6次試驗的第2低值和9次試驗的第3低值所得的平均安全系數(shù)分別為2.31、3.04和2.74[5]。這表明，6次試驗取第2低值或9次試驗取第3低值都要比3次試驗取最低值產(chǎn)生的結(jié)果安全一點。但這種趨勢最多觀察到15次試驗取第5低值，當(dāng)試驗次數(shù)高于15次時，如18次試驗取第7低值、24次試驗取第9低值，得到的平均安全系數(shù)將小于取3次試驗的最低值得到的。換言之，MOTE方法用于15個以上的試驗可能比3個試驗取最低值更不安全。

另有一點值得注意，表1中安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差會隨著樣本容量的增大而減少，變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/平均值)也隨之減少，這說明樣本容量越大，得到的結(jié)果越精確。

API RP 579/ASME FFS-1—2016和DNVGL RP F108—2017等標(biāo)準(zhǔn)中都采納了MOTE方法，并對多次試驗取第幾低值提出了建議，見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)中的MOTE方法[9]

MOTE 1是根據(jù)公式(3)且令百分位數(shù)α等于50%，置信度等于87.5%得出的；MOTE 2是標(biāo)準(zhǔn)API RP 579/ASME FFS-1—2016[6]推薦的方法；MOTE 3為標(biāo)準(zhǔn)BS 7910—2019[2]和DNVGL RP F108—2017[10]相關(guān)條款所列方法。由于MOTE方法用于15個以上的等效斷裂韌性測試數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致不安全的結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)BS 7910—2019在有效數(shù)據(jù)超過15個時不再允許使用MOTE，并建議使用統(tǒng)計分布擬合的方法[9]。

2 斷裂韌性分布擬合

采用少量斷裂韌性試驗結(jié)果，并在工程臨界評價(ECA)中使用MOTE方法雖然簡單，但是對于完整性要求高的應(yīng)用場景，可能無法提供足夠可靠的結(jié)果。使用數(shù)理統(tǒng)計方法進(jìn)行分布擬合能夠更好地利用重要的離散數(shù)據(jù)，提供更可靠的分析[9]。當(dāng)評估質(zhì)量要求較高時，一些ECA程序建議測試足夠多的試樣,以便能夠進(jìn)行斷裂韌性數(shù)據(jù)的分布擬合并能從分布中得到一個特征值(有時為下限值)進(jìn)行評估。有學(xué)者表明，不需要大量的測試就可以對鐵素體鋼的斷裂韌性進(jìn)行良好的描述，通常10個有效數(shù)據(jù)也是可行的[11]。國內(nèi)外很多學(xué)者都有使用統(tǒng)計方法來分布擬合斷裂韌性數(shù)據(jù)，但是不同的材料擬合出的分布類型也不盡相同。斷裂韌性可能遵循正態(tài)、對數(shù)正態(tài)或威布爾等分布類型。在對斷裂韌性數(shù)據(jù)擬合后，通常需要對擬合優(yōu)度進(jìn)行檢驗，K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗和A-D(Anderson-Darling)檢驗都是常用的非參數(shù)檢驗方法。

有學(xué)者對藥芯自保護(hù)電弧半自動焊(Self-shielded flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW-S)焊接獲得的X70管線鋼環(huán)焊接頭斷裂韌性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用對數(shù)正態(tài)分布擬合焊縫的CTOD值比較符合實際數(shù)據(jù)[12]。另有學(xué)者對采用FCAW-S焊接的EH36鋼的焊縫及熱影響區(qū)斷裂韌性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用正態(tài)分布擬合此結(jié)構(gòu)熱影響區(qū)的CTOD值，相關(guān)系數(shù)較高，但對于焊縫的CTOD值，用對數(shù)正態(tài)分布擬合更符合實際數(shù)據(jù)[13]。Pisarski Henryk等人對MOTE和分布擬合2種方法進(jìn)行研究，通過對比發(fā)現(xiàn)，在分布擬合中選擇一個較低的特征值比MOTE方法獲得的值更加準(zhǔn)確可靠[9]。

此外，國外很多可靠性評估標(biāo)準(zhǔn)也收納了有關(guān)使用分布擬合斷裂韌性的方法。例如，標(biāo)準(zhǔn)R6—2014和BS 7910—2019中都有使用擬合分布來分析斷裂韌性數(shù)據(jù)和獲取特征值Kmat[2,14]。兩種標(biāo)準(zhǔn)的擬合步驟都是相似的，R6—2014的擬合步驟如下：

(5)

式中:Ki是單個試樣的斷裂韌性值，MPa·m1/2；z為數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

2)通過公式(6)求方差S2：

(6)

3)根據(jù)公式(7)在給定的置信度下確定Kmat：

(7)

式中：S為標(biāo)準(zhǔn)差，tα是z-1自由度與特定置信水平下累積t分布(Student’s t-distribution)所對應(yīng)的值，+/-分別給出了置信上限和下限，tα的值可查t分布標(biāo)準(zhǔn)臨界值表得到。

BS 7910—2019與R6—2014不同之處在于步驟3，BS 7910—2019采用正態(tài)分布單側(cè)公差極限估計90%置信度第20百分位數(shù)斷裂韌性下限值，如公式(8)所示。

(8)

式中：K0.9為單側(cè)公差極限，其值取決于試驗次數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)BS 7910—2019第7章中已給出1至20次試驗K0.9的參考值。

3 主曲線法

3.1 主曲線法簡介

鐵素體鋼和貝氏體鋼，通常都具有從低溫解理斷裂到高溫韌性斷裂的轉(zhuǎn)變行為。它的特點是與完全延性的上平臺和完全脆性的下平臺相比，在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)斷裂韌性有個非常寬的離散帶，如圖1所示[7]。芬蘭VTT研究所Wallin開發(fā)的主曲線法是處理這一區(qū)間離散斷裂韌性數(shù)據(jù)的先進(jìn)方法。這個方法的尺寸效應(yīng)和溫度相關(guān)性等假設(shè)在Wallin后續(xù)的研究中都被驗證[15]。

圖1 鐵素體或貝氏體材料的韌脆轉(zhuǎn)變[7]

主曲線法只需少量試驗就可以獲得整個韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)材料斷裂韌性的概率分布，其斷裂韌性累積失效概率由三參數(shù)威布爾分布描述，如公式(9)所示[16]。

(9)

式中：Pf為累積失效概率,%；KJc是臨界J積分JC通過公式(10)轉(zhuǎn)化得到的等效斷裂韌性,MPa·m1/2；尺度參量K0為Pf=63.2%時斷裂韌性KJc的值,MPa·m1/2；Kmin為斷裂韌性門檻值，MPa·m1/2。Wallin提出Kmin取20 MPa·m1/2、幾何參數(shù)定為4[16]。這樣，式(9)的三參數(shù)Weibull表達(dá)式簡化為單參數(shù)表達(dá)式，只要確定某一溫度下的K0值，就可以得到此溫度下材料的斷裂韌性概率分布。Wallin的相關(guān)研究表明對于鐵素體鋼，K0可由公式(11)確定[17]。

(10)

K0=31+77exp[0.019(T-T0)]

(11)

式中：E為彈性模量，MPa；ν為泊松比；T0為參考溫度，℃。T0的計算方法將在3.2節(jié)中論述。

將公式(11)和Kmin=20 MPa·m1/2帶入公式(9)，可得：

KJC(Pf)=20+[-ln(1-Pf)][11+77exp(0.019(T-T0)]

(12)

由公式(12)可知，只要確定了參考溫度T0便可以獲得該材料任意累計失效概率Pf下斷裂韌性KJc與溫度T的關(guān)系曲線，當(dāng)Pf=50%時，這條曲線即為主曲線。圖2是一張主曲線示意圖[18]，人們通常隨主曲線一并給出Pf為95%和5%的曲線，這兩個曲線一般分別作為上邊界和下邊界。令式(12)中Pf=50%，即可得主曲線所對應(yīng)的公式[3,19]。

圖2 主曲線示意圖[18]

KJC(med)=30+70exp[0.019(T-T0)]

(13)

式中：中值斷裂韌性KJc(med)為Pf=50%時所對應(yīng)的斷裂韌性，MPa·m1/2。

3.2 參考溫度T0的計算

參考溫度T0為材料中值斷裂韌性KJc(med)等于100 MPa·m1/2時所對應(yīng)的溫度，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1921—2011[4]對參考溫度T0的計算進(jìn)行了詳細(xì)描述，T0的計算方法主要有2種，單溫度法和多溫度法。

3.2.1 單溫度法

單溫度計算T0，首先要對斷裂韌性數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。當(dāng)KJc(i)≥Kcen時，KJc(i)被視為無效數(shù)據(jù)，Kcen可由公式(14)計算。

(14)

式中：B0為韌帶尺寸，mm；σys為試驗溫度下的屈服強(qiáng)度，MPa。

隨后將斷裂韌性數(shù)據(jù)根據(jù)公式(15)轉(zhuǎn)換為1T(25.4 mm)厚標(biāo)準(zhǔn)試樣的等效斷裂韌性。

(15)

式中：B為實際試樣厚度，mm；B0為標(biāo)準(zhǔn)試樣厚度，B0=25.4 mm。

再將等效斷裂韌性數(shù)據(jù)帶入公式(16)即可得尺度參數(shù)K0，MPa·m1/2。

(16)

式中：r為有效KJc的數(shù)量。

最后將所得的K0帶入公式(17)，再結(jié)合公式(18)即可得T0。

(17)

(18)

3.2.2 多溫度計算T0

先將試驗測得的斷裂韌性通過公式(15)轉(zhuǎn)換為1T(25.4 mm)厚標(biāo)準(zhǔn)試樣的等效斷裂韌性，隨后參考溫度T0可以由方程(19)的迭代求解:

(19)

式中：Ti為KJc(i)的測試溫度，℃；δi為檢查參數(shù)。當(dāng)KJc(i)大于公式(14)Kcen的值時，δi=0；當(dāng)KJc(i)小于Kcen的值時,δi=1[4]。

根據(jù)一些學(xué)者研究，在估算參考溫度時，多溫度法比單溫度法更有效。當(dāng)使用多溫法時，應(yīng)至少在3個不同溫度下測試，并且測試溫度越多，所得參考溫度T0越準(zhǔn)確[20-21]。

3.3 非均勻材料的主曲線分析

主曲線法最初被提出時，僅適用于均質(zhì)的鐵素體鋼。實際上，很多材料在宏觀上是非均質(zhì)的，如環(huán)焊縫及其熱影響區(qū)(Heat affected zone,HAZ)。芬蘭VTT研究所在SINTAP項目中開發(fā)了適用于非均勻材料的最大似然主曲線法(Maximum likelihood-Master curve,MML-MC)，該方法可以對非均勻材料斷裂韌性進(jìn)行保守的下限估算，但它不能描述材料斷裂韌性較好的部分[6]。為了更好地在非均勻材料斷裂韌性評估中使用主曲線法，Wallin等人提出了雙峰主曲線法(Bimodal master curve，BMC)。該方法假設(shè)材料的斷裂韌性數(shù)據(jù)總體是由兩個組合的主曲線分布組成的。材料的累計概率分布Pf可以表示為式(20)形式的雙峰分布[22]。

(20)

式中：K01和K02是這兩個分布的特征斷裂韌性值，MPa·m1/2；Pa是該斷裂韌性屬于分布1的概率，%。在多溫度法評估的情況下，特征斷裂韌性(K01和K02)可用參考溫度(T01和T02)計算表示。與僅需要確定一個參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)主曲線法相比，雙峰主曲線分布需要確定3個參數(shù)。這意味著擬合的過程更為復(fù)雜。為了能夠處理多溫度下的數(shù)據(jù)集，必須基于最大似然法，似然函數(shù)如式(21)所示。為了簡化數(shù)值迭代過程，似然函數(shù)被轉(zhuǎn)換成對數(shù)形式，如式(22)所示[22]。

(21)

(22)

式中：fc是概率密度函數(shù)；Sc是生存函數(shù)；δ為審查參數(shù)。概率密度函數(shù)和生存函數(shù)表達(dá)式分別如式(23)、式(24)所示。

(23)

(24)

一些學(xué)者研究認(rèn)為，雙峰主曲線法考慮了材料不均勻性對斷裂韌性估算的影響，與標(biāo)準(zhǔn)主曲線方法相比，對材料離散斷裂韌性的評估更準(zhǔn)確，可以得出稍保守的預(yù)測。此外，使用雙峰主曲線法通常需要較大的數(shù)據(jù)集，該方法結(jié)果的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)集大小直接相關(guān)[23]。

隨著人們對主曲線法的不斷研究完善，主曲線法的改進(jìn)形式也在逐步適用于非均勻材料斷裂韌性評估。這在很大程度上拓寬了主曲線法的適用范圍和評估質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文針對環(huán)焊縫離散斷裂韌性數(shù)據(jù)處理，論述了3種以數(shù)理統(tǒng)計為依據(jù)的處理方法。結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對每種方法進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)在評估環(huán)焊縫的過程中，如果有3個以上的等效斷裂韌性測試數(shù)據(jù)且評估質(zhì)量要求不高，MOTE是1個簡單且有效的處理方法。隨著試驗次數(shù)增加，MOTE方法的結(jié)果更加準(zhǔn)確，但是過大的樣本可能導(dǎo)致MOTE方法的結(jié)果不安全，故建議測試數(shù)量不超過15個。

2)在等效的斷裂韌性測試數(shù)據(jù)比較多的情況下，可以采取分布擬合參數(shù)估計的方法對數(shù)據(jù)選擇性的進(jìn)行正態(tài)、對數(shù)正態(tài)和威布爾分布擬合并進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗，獲取相關(guān)度較高的分布擬合，對斷裂韌性進(jìn)行評估或下限估計。通常，從分布擬合中選擇1個較低的特征值比MOTE方法獲得的值更加準(zhǔn)確可靠。

3)當(dāng)評估材料在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)較為離散的斷裂韌性數(shù)據(jù)時，主曲線法是一種先進(jìn)且有效的方法。熱影響區(qū)(HAZ)等非均勻材料韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)的斷裂韌性可以采用最大似然主曲線法(MML-MC)進(jìn)行下限估計，也可以采用雙峰主曲線法(BMC)進(jìn)行整體分析。在使用雙峰主曲線法時，由于測試的數(shù)量對結(jié)果的準(zhǔn)確性有直接影響，通常需要較多的斷裂韌性數(shù)據(jù)。