Forord. Trondheim

Transkript

1 Forord Denne rapporten er resultatet av mitt arbeid med masteroppgaven i 5.klasse ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU i Trondheim. Arbeidet er utført våren Arbeidet er gjennomført i Trondheim. Jeg retter en stor takk til mine veiledere Zhiliang Zhang og ved Institutt for konstruksjonsteknikk og Erling Østby hos Sintef, Anvendt mekanikk og korrosjon. Jeg vil også takke Andreas Sandvik i Statoil for uvurderlig hjelp i etableringen av modeller og med oppgaven ellers og Thomas Haavi ved Sintef, Anvendt mekanikk og korrosjon, for lån av datakraft til å gjennomføre analysene. Trondheim

2 INNHOLDSFORTEGNELSE FIGURLISTE... 3 SAMMENDRAG INNLEDNING ELEMENTMODELL GEOMETRI OG ELEMENTER RANDBETINGELSER ANALYSEOVERSIKT OG MATERIALDATA TEORI SPREKKER Spenningsfordeling BRUDD Den duktile bruddmekanisme Sprekkvekst CTOD GURSONMODELLEN DYNAMISK EKSPLISITT ANALYSE RESULTATER LITT OM FIGURER BETYDNING AV INITIELLT MIKROPOREVOLUM BETYDNING AV SPREKKDYBDE BETYDNING AV MISMATCH KONKLUSJON

3 Figurliste FIGUR 2-1 RØRGEOMETRI... 7 FIGUR 2-2 SPREKKGEOMETRI... 7 FIGUR 2-3 OPPDELING VED SPREKKFRONT... 8 FIGUR 2-4 ELEMENTNETT PÅ LANGSGÅENDE SYMMETRIPLAN VED SPREKK... 8 FIGUR 2-5 ELEMENTNETT PÅ HELE PLATEN FIGUR 3-1 PLASTISITET VED SPREKKSPISSEN FIGUR 3-2 DUKTILT OG SPRØTT MATERIALE I HOVEDSPENNINGSROMMET FIGUR 3-3 DANNELSE AV MIKROPORER [1] FIGUR 3-4 VEKST AV MIKROPORER FIGUR 3-5 SAMMENVEKST AV MIKROPORER FIGUR 3-6 SPREKKVEKST FIGUR 3-7 DEFINISJON AV CTOD FIGUR 3-8 SAMMENHENG MELLOM F * OG F FIGUR 3-9 BRUDDFLATE OG FLYTEFLATE[5] FIGUR 4-1 MÅLENODE FOR CTOD FIGUR 4-2 KINETISK ENERGI FIGUR 4-3 INDRE ENERGI OG KINETISK ENERGI (J) FIGUR 4-4 REGIONER I CTOD-Ε DIAGRAMMET FIGUR 4-5 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED 3 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-6 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED 5 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-7 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED 3MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-8 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED 5MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-9 F-U FOR ALLE ANALYSER MED 3 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-10 F-U FOR ALLE ANALYSER MED 5 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-11 GLOBAL TØYNING VED BRUDD MOT INITIELLT MIKROPOREVOLUM, F FIGUR 4-12 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED F 0 LIK 0, FIGUR 4-13 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED F 0 LIK 0, FIGUR 4-14 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED F 0 LIK 0, FIGUR 4-15 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED F 0 LIK 0, FIGUR 4-16 GLOBAL TØYNING VED BRUDD MOT SPREKKDYBDE, A FIGUR 4-17 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED 3 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-18 CTOD-Ε FOR ALLE ANALYSER MED 5 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-19 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED 3 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-20 CTOD-DELTA A FOR ALLE ANALYSER MED 5MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-21 F-U FOR ALLE ANALYSER MED 3 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-22 F-U FOR ALLE ANALYSER MED 5 MM SPREKKDYBDE FIGUR 4-23 GLOBAL TØYNING VED BRUDD MOT FLYTEGRENSE I SVEISEMETALL

4 Symbolforklaring Symbol Betydning Enhet a Sprekkdybde mm c Sprekklengde mm t Veggtykkelse mm D Ytre diameter mm r Radius i ende av sprekk mm σ y Flytespenning Pa σ m Hydrostatisk spenning Pa ε Nominell tøyning ε pl Plastisk tøning δ CTOD mm f Mikroporevolum volumetrisk andel f 0 Initiellet mikroporevolum volumetrisk andel f c Kritisk mikroporevolum volumetrisk andel f F Mikroporevolum ved brudd volumetrisk andel f * Mikroporevolum etter Tvergaards og Needlemans tilpasning av Gursonmodellen volumetrisk andel F Kraft N Delta a Sprekkvekst mm U Forskyvning mm ρ Tetthet kg/m 3 ρ Radius i sprekkspissen mm E Elastisitetsmodul kn/m ν Tverrkontraksjonstall n Fastningseksponent MPa Megapascal Pa * 10 6 q Mises ekvivalentspenning Pa S Nominell spenning Pa 4

5 Sammendrag Oppgaven går ut på å bruke skademekanikken til å analysere maksimal kapasitet og studere sprekkvekst i en sveist rørledning. Materialet er duktilt stål. Gursons materialmodell og elementprogrammet ABAQUS/Explicit har blitt brukt. Gursonmodellen er en materialmodell som beskriver effekten av dannelse, vekst og sammenvekst av mikroporer i materialer. Den kan brukes for å simulere duktil sprekkvekst. En liten parameterstudie er utført ved å kjøre 12 simuleringer med to ulike sprekkdybder, tre forskjellige flytegrenser i sveisemetallet og tre ulike initielle mikroporevolum. Oppgaven er gjennomført ved å simulere kvasistatisk tøyning. Resultatene viser at alle parametrene har stor innvirkning på bruddforløpet og er viktige å ta hensyn til. Tøyningskapasiteten synker som følge av dypere sprekk, høyere f 0 og lavere flytegrense i sveisemetallet. Det viste seg at det er mulig å forhindre sprekkvekst ved hjelp av forhøyet flytegrense i sveisemetallet ved sprekkdybde på tre millimeter. 5