氢致微裂纹应力腐蚀损伤管道的寿命预测

管道的断裂损坏常常始于微裂纹,研究微裂纹的形成原因、分布情况、扩展规律、扩展速率和影响因素等对于管道的寿命预测有重要的参考价值。基于损伤力学原理分析了管道应力腐蚀损伤演化模型,根据微裂纹扩张的位能和动能计算式以及能量守恒原理,推导得出氢致微裂纹扩展速率与管道剩余寿命的关系:微裂纹扩展速率与氢压有关,随着氢压的增大而增大。结合实例计算了管输介质H2S和CO2含量对管道剩余寿命的影响规律,结果表明:当管道中同时存在CO2和H2S时,管道腐蚀加剧;当输送压力和其他参数不变时,随着H2S和CO2含量增加,管道剩余寿命逐渐减小。     

基于BS 7910的焊缝缺陷剩余寿命分析方法

为预测油气管道焊缝的剩余寿命,对非穿透裂纹的扩展机理及焊缝缺陷寿命预测方法开展了研究,提出以累加法为指导思想,结合BS 7910-2005中失效评定图(FAD)判据,且基于非穿透裂纹扩展模型的动态焊缝剩余寿命计算方法,使用C#语言编制程序实现了具体算法,计算分析了某管道焊缝缺陷的非几何参数对焊缝寿命的影响规律。分析计算结果表明:缺陷的长、短类型,即缺陷的深度与长度之比对缺陷所能承受的循环载荷次数有较大的影响;如果缺陷属于短缺陷,对应不同的缺陷相对深度,缺陷所能承受的循环载荷次数均逐渐减少;如果缺陷为长缺陷,缺陷所能承受的循环载荷次数均呈现先减少后趋于不变的趋势。     

弥散型腐蚀管道氢致微裂纹扩展的有限元分析

研究了弥散型缺陷管道氢致微裂纹扩展规律、裂纹扩展速率和裂纹扩展影响因素。利用ANSYS有限元分析软件,模拟了损伤管道微裂纹的扩展过程。结果表明:对于管道的弥散型腐蚀,管道内壁腐蚀最严重,由管道内壁向外腐蚀逐渐减弱。对弥散型腐蚀管道微裂纹扩展的有限元分析,可为腐蚀损伤管道的剩余强度和寿命评价提供技术支持。     

两裂纹相互作用对管道应力强度因子的影响

针对油气输送管道内表面两裂纹相互影响的情况,运用有限元方法,模拟分析了X80钢制管道内三维表面裂纹尺寸、裂纹间距对裂纹应力强度因子的影响规律。研究结果表明:两裂纹(分别为固定裂纹与可变裂纹)的间距越大,两裂纹相互作用越小,当间距达到或超过一定值时,对应力强度因子几乎不产生影响,仅需考虑主要裂纹对管道寿命的影响;可变裂纹的相对壁厚比越小或形状比越大,两裂纹相互作用越小,当相对壁厚比小于0.2或形状比大于0.8时,可以忽略其对应力强度因子的影响,且形状比对最大应力的影响远远小于壁厚比与裂纹间距对最大应力的影响。     

裂纹倾角对管道表面裂纹断裂参数的影响北大核心

钢制输气管道在制造、安装或运行过程中不可避免地会产生表面裂纹缺陷,这些表面裂纹在外力和腐蚀作用下发生扩展造成管道破裂失效,将严重影响高压天然气管道的安全运行,因此,开展了表面裂纹倾角对断裂参数影响规律的研究。采用ANSYS有限元模拟软件,建立了内压作用下含不同表面裂纹的管道的有限元模型,分析了不同倾角表面裂纹的J积分变化规律。研究表明:裂纹尖端J积分值随裂纹倾角近似呈余弦函数规律变化,在相同边界条件下,表面裂纹与管道轴向平行时,J积分值最大,此时表面裂纹最易发生扩展;表面裂纹与管道轴向垂直时,J积分值最小,此时表面裂纹发生扩展的可能性较小。     

油气输送管道疲劳寿命分析及预测

基于试验室小尺寸疲劳试样裂纹扩展速率(da/dN)试验所测得的螺旋埋弧焊管疲劳裂纹扩展数据,对管道剩余寿命进行了评估和预测,同时进行了实物钢管全尺寸疲劳试验,对预测结果进行了验证.研究结果表明,采用小尺寸疲劳试验结果对管道剩余寿命进行预测的结果与实物试验结果基本一致,虽略微保守,但从工程应用的角度讲是可行的.此外还结合实物疲劳试验分析了油气输送管道中较常见的管体表面半椭圆裂纹类缺陷的扩展规律.     

裂纹倾角对管道表面裂纹断裂参数的影响

钢制输气管道在制造、安装或运行过程中不可避免地会产生表面裂纹缺陷,这些表面裂纹在外力和腐蚀作用下发生扩展造成管道破裂失效,将严重影响高压天然气管道的安全运行,因此,开展了表面裂纹倾角对断裂参数影响规律的研究。采用ANSYS有限元模拟软件,建立了内压作用下含不同表面裂纹的管道的有限元模型,分析了不同倾角表面裂纹的J积分变化规律。研究表明:裂纹尖端J积分值随裂纹倾角近似呈余弦函数规律变化,在相同边界条件下,表面裂纹与管道轴向平行时,J积分值最大,此时表面裂纹最易发生扩展;表面裂纹与管道轴向垂直时,J积分值最小,此时表面裂纹发生扩展的可能性较小。     

晶须增强金属基复合材料疲劳裂纹萌生寿命预报

利用等效夹杂理论计算基体中的应力。在应变控制状态下，导出了用有效应力预报疲劳寿命的方程。从理论上展示了各组分材料对疲劳裂纹萌生寿命的影响，并用寿命曲线表示出理论结果：晶须增强金属基复合材料的疲劳性能比纯基体的高；疲劳裂纹萌生寿命曲线与宏观疲劳寿命曲线形式类似、且存在疲劳裂纹萌生极限。     

高含硫管道氢致开裂的分形效应及扩展速率计算

氢致开裂是高含硫气田集输管网、长输管网管线钢失效的主要模式之一,为明确管道氢致开裂的机理与过程,对其开裂模式进行了研究。对氢质量浓度在金属裂尖扩展过程中的变化规律进行分析,考虑分形效应的影响,对氢致裂纹的动力学模型进行修正,提出了氢致裂纹扩展的直裂纹-剪切带分形模型:在Gerberich对氢致开裂研究的基础上,基于裂尖的氢化作用与裂纹扩展过程中存在的耦合因素,将断裂过程区的形状与裂纹的扩展长度进行结合,构建了氢致开裂裂纹扩展各阶段分形速率的表达式,得到了更为合理的基于分形效应的氢致开裂数学模型。以材质为16Mn和20钢的天然气管道为例,分别计算了母材与焊缝处的氢致裂纹扩展速率,对比得出两种材料抗H2S的性能,研究结果对于高含硫管道材料的选择具有一定指导意义。     

热壁加氢反应器的断裂损伤分析

针对热壁加氢反应器封头与接管连接处存在裂纹的情况,进行了产生断裂损伤原因的分析.对存在裂纹的热壁加氢反应器进行了应力计算和安全评定,对疲劳裂纹扩展寿命进行了估算,计算了其剩余寿命。分析表明,尽管热壁加氢反应器存在裂纹,似从工程角度存在安全隐患,但从理论上还可以安全使用7a多,研究结果可为指导安全生产提供可行的科学参考。     

输油管道强度试压最高应力研究

管道试压后残存裂纹的疲劳扩展是影响管道正常使用寿命的主要因素之一。从管道缺陷的断裂特性入手，分析了试压应力对管道残存裂纹扩展寿命的影响，管道试压高应力过载峰对试压后裂纹扩展速率产生明显的延缓作用，过载峰愈高，延缓作用愈大；同时过载峰又增大了裂纹尺寸，造成管道承压能力逆转，加速裂纹扩展速率。定量分析表明，当表面裂纹的长度与深度的比值较小时，承压能力逆转量较小，对裂纹扩展速率影响不大；而裂纹尺寸较大的     

管道轴向裂纹面内压作用下的J积分计算

在管道的制造、安装和运行期间,不可避免地会产生类似于裂纹的缺陷,轴向理解纹是最常见的裂纹。确定含轴中裂纹管道在各种应力状态下的应力强度因子和Ｊ积分,是评价管道完整性和使用寿命的重要组成部分。根据Ｋａｒｌｓｏｎ和Ｂａｃｋｌｕｎｄ推导的考虑裂纹承载的修正Ｊ积分的表达式,结合帕里斯公式和权函数方法,论述了管道轴向理解纹面在内压作用下的Ｊ积分计算方法,并与其它计算方法进行了比较。     

直径1422mmX80管道环焊接头应变能力数值模拟方法

鉴于高钢级管材的组织特征及焊缝失效对于管道安全的重要影响,管道环焊缝承载能力成为当前管道行业的研究热点,以中俄东线全自动焊口为研究对象,准确考虑环焊接头根焊、热影响区、母材、填充焊4个区域材料本构关系的差异性,基于有限元方法建立了分析管道环焊接头应变能力的数值仿真模型。定量分析了母材屈强比、运行内压、载荷类型等组合工况下焊缝强度匹配系数等对管道环焊缝裂纹扩展驱动力的影响。采用静裂纹起裂的失效判定方法,以表观断裂韧性值为临界准则,结合中俄东线管材及环焊接头材料特性参数实际变化范围,计算了在设计工况范围内最不利条件下中俄东线环焊接头的应变能力。结果表明:提高焊缝区强度匹配能够有效减小接头的裂纹扩展驱动力,增加管道内压或提高母材屈强比会使相同强度匹配条件下的裂纹扩展驱动力更大,拉伸载荷下的裂纹扩展驱动力要大于弯曲载荷下的裂纹扩展驱动力。该方法既可以用于根据焊接接头性能要求指导焊接参数的确定,也可以用于在役管道含缺陷焊接接头的适用性评价。     

应用AE和DIC原位监测含横纹裂纹木构件的裂纹演化规律试验研究

目的含横纹裂纹木构件的缺陷会使其在弯曲载荷下发生横纹断裂,研究含横纹裂纹木构件在载荷作用下微裂纹的萌生和扩展规律,对含横纹裂纹木构件断裂损伤的预判和评估具有重要的意义。方法以杉木为研究对象,基于声发射（AE）技术和数字图像相关法（DIC）对已预制横纹裂纹的木试件三点弯曲损伤过程进行了实时原位监测,采用声发射参数分析法研究了加载过程中微裂纹萌生和失稳扩展的声发射特征,同时结合裂尖区域的应变和位移变化信息分析木试件表面裂纹起裂和扩展的应变特征。结果含预制横纹裂纹木试件的损伤演变过程中的声发射和数字图像测量结果,所反映的微裂纹萌生、扩展规律一致,验证了声发射振铃计数、能量和幅度对裂纹损伤过程的预判。其中声发射振铃计数、能量、幅度可有效预报木试件微裂纹的萌生,木试件表面应变的变化可以有效观测裂纹萌生和扩展区域的演变。结论建立了木材微裂纹萌生、扩展行为与声发射参数和表面应变之间的对应关系,并成功地构建了基于声发射技术和数字图像相关法的原位监测含横纹裂纹木构件裂纹损伤演化的测量和评价体系,试验结果为进一步研究含横纹裂纹木构件裂纹演变行为的损伤机理和原位监测方法提供了参考依据。      

含缺陷压力容器与管道泄漏失效风险分析

针对含缺陷压力设备的断裂失效分析模式,考虑缺陷尺寸、疲劳裂纹的随机扩展以及材料机械性能的随机特性,计算压力容器和管道泄漏失效概率、临界裂纹尺寸预测失效点的泄漏口面积,分析泄漏及其引起的火灾爆炸事故的特点,运用事故模型定量计算事故后果严重度,并综合考虑设备的失效概率和失效后果,构建了一个完整的含缺陷受压设备风险评价方法,并结合工程案例进行了阐述.     

含缺陷压力容器与管道泄漏失效风险分析

针对含缺陷压力设备的断裂失效分析模式,考虑缺陷尺寸、疲劳裂纹的随机扩展以及材料机械性能的随机特性,计算压力容器和管道泄漏失效概率、临界裂纹尺寸预测失效点的泄漏口面积,分析泄漏及其引起的火灾爆炸事故的特点,运用事故模型定量计算事故后果严重度,并综合考虑设备的失效概率和失效后果,构建了一个完整的含缺陷受压设备风险评价方法,并结合工程案例进行了阐述.     

在HIC环境下管道断裂模式与承压能力评价

研究了管道裂纹尖端过程区氢浓度与裂尖应力、应变场、氢扩散及管道内压力的关系,确定了氢致裂纹过程区的长度;依据微裂纹成核的开裂机理,提出了氢致开裂断裂判据的位错模型,并分析材料-环境体系的影响,在此基础上研究了含裂纹管道极限承压能力和临界J积分JISCC,对含平面型裂纹管道的安全运行具有重要意义.     

高强度管线钢裂纹扩展速度的计算

裂纹扩展速度是预测管线钢止裂韧性的重要参数。根据目前世界各国全尺寸爆破试验分析总结的裂纹扩展速度计算模型,即BTCM模型、HLP模型和Sumitomo模型,对X80管线钢的裂纹扩展速度进行了计算,研究了管径、壁厚和强度对裂纹扩展速度的影响。分析发现,HLP模型和Sumitomo模型计算裂纹扩展速度与高强度钢全尺寸爆破实测数据较为一致,而BTCM模型预测数据较实测结果偏离程度较大。采用3种模型的计算结果表明:当管道壁厚和强度增加时,最大裂纹扩展速度均减小,因而有利于管道止裂;管径增加,最大裂纹扩展速度增大,管道所需止裂韧性也相应增大。     

氢环境中含轴向裂纹管道扩展孕育期的计算

在天然气输送工程中，广泛存在着管道的氢损伤问题，根据内聚力损伤模型，运用权函数方法，通过计算数学裂纹长度，提出了含油向裂纹管道在氢环境承载能力的评估方法和裂纹扩展孕育期的计算方法，分析表明，随着裂纹尖端氢浓度的增大，裂纹尖端的内聚力随之减小，数学裂工度随之增大，管道的承载能力大大降低，另外从理论和数值计算两方面分析了操作压力，氢 环境，氢扩散系数以及环境温度对孕育的影响。     

辽河油田集输管道剩余寿命预测

对于运行多年的油田老龄管道,为了及时掌握管道腐蚀现状并对管道运行状况进行科学评价,建立了一种埋地钢制管道腐蚀状况预测模型.基于辽河油田原油集输管道局部腐蚀坑检测数据,利用极值分布方法对辽河油田集输管道腐蚀剩余寿命预测进行研究.通过极值分布概率统计,给出了腐蚀管道最大腐蚀坑深度,并依据局部腐蚀发展经验公式,估测管道腐蚀后的剩余使用寿命.预测结果显示：曙五联-首站混油外输管道腐蚀剩余使用寿命为6.2年,曙四联-首站混油外输管道腐蚀剩余使用寿命为11.2年,曙一联-曙五联稀油管道腐蚀剩余使用寿命为4.1年.由于管道进入使用末期阶段,应采取必要措施对管道进行维修,建议各个管道再评价时间间隔应为此次预测时间间隔的1/2.（表2,图2,参14）