管线钢应力诱导型氢致开裂分形试验

以酸性气田集输管网中16MnR 和20 号钢为研究对象,开展应力诱导型氢致开裂分形试验,以验证相关理论模型的正确性。试验制备了两种管线钢的双悬臂梁试件,并将其浸入不同H2S 体积摩尔浓度的腐蚀溶液环境中,通过断口数据取样分析及计算,验证了管线钢氢致开裂的断口形貌具有分形特征,以及应力强度因子与分形维数具有对数正比趋势的关系,同时验证了氢致开裂判据模型、氢致开裂分形扩展速率模型、氢致开裂分形物理机制模型的正确性,可为在役管道氢环境下的裂纹扩展速率的预测提供参考依据。     

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.     

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，并分析材料一环境体系的影响，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。     

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。     

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。     

输气管道裂纹动态扩展的数值模拟

作为输气管道止裂控制的重要依据,必须要求其裂纹驱动力小于管道材料的断裂韧性,在这种情况下进行裂纹动态扩展的数值模拟就显得非常重要.建立了输气管道裂纹动态扩展的有限元模型,用弹塑性、大位移四边形的壳体单元离散管道.裂纹尖端后面的气体压力简化为指数衰减模式.裂纹的开裂采用节点力释放方法来模拟,即根据裂纹扩展速度,依次解除裂纹尖端的节点连接.裂纹驱动力用能量释放率G和裂纹尖端张开角CTOA两个断裂力学参量表示.分析了裂纹驱动力随内压的变化规律.提出的计算模型可为输气管道的止裂设计提供分析工具.     

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。     

单向纤维增强复合材料板Ⅰ型裂纹尖端应力场的有限元分析

应用ABAQUS有限元软件,对单向纤维增强复合材料板Ⅰ型裂纹进行分析,计算了当裂纹与材料纤维方向的夹角分别为0°、30°、60°、90°时裂纹尖端应力场,利用切向比正应力准则预测了裂纹的扩展方向,分析影响裂纹扩展的因素。结果表明:裂尖附近应力集中现象明显,应力随着裂尖距离增大迅速减小;裂尖处最大Mises应力和最大切向比正应力所在方位均为纤维方向,裂纹沿着纤维方向扩展;裂纹与纤维的夹角越小或缝高比越大裂纹越容易扩展。     

长输管道裂纹脆性和韧性的失稳扩展及止裂

一、前言裂纹失稳扩展的研究和控制对长输管道来说是非常重要的。受压容器和工厂管网的配管,一旦起裂会立刻遭到全部破坏,这是因为这些构件太短的缘故,因而对它们来说,主要是研究和控制起裂,而失稳扩展及其止裂的研究却似乎是没有意义的。对长输管道来说情况却大不相同,虽然起裂的研究对长输管道也很重要,在国内外已有不少人做过大量的工作,但更重要的还是一旦起裂以后能使失稳扩展的裂纹得到早期止裂,以     

临氢X80管线钢量化氢压作用的疲劳裂纹扩展模型

随着中国对能源转型及氢能利用发展需求的日渐迫切，X80高强管线钢将面临在氢气环境中运行的风险。对管道而言，其在服役过程中同时存在静载荷和循环载荷，并且循环载荷与氢的交互作用更为复杂，因此评估管线钢临氢性能时要同时考虑拉伸性能和疲劳性能。通过高压氢气环境中的拉伸实验及疲劳裂纹扩展实验，分析了氢对X80钢拉伸及疲劳性能的影响，获得了量化氢压作用的X80管线钢疲劳裂纹扩展模型。结果表明：氢对X80管线钢的拉伸性能无明显影响；氢压越高，疲劳裂纹扩展速率越高，氢压3 MPa时的疲劳裂纹扩展速率为氮气环境中的10倍，氢对X80管线钢的疲劳裂纹扩展影响显著；当X80管线钢处于氢气环境中时，钢材的疲劳性能将成为管道安全设计和完整性评价的关键指标。（图8，表3，参27）     

普光气田高含硫腐蚀缺陷输气管道安全评价

普光气田是中国特大型高含硫酸性气田,随着气田不断开采,集输工艺管道腐蚀问题日益突出。对普光气田高含硫输气管道所用L360管线钢开展应力-应变参数测试试验,采用Solid186单元对含缺陷腐蚀管道进行建模,基于非线性有限元隐式积分算法与塑性失效准则,分析了腐蚀缺陷参数对高含硫输气管道极限承载能力的影响规律,并通过静水压爆破试验,验证了模型的准确性。结果表明:腐蚀缺陷对高含硫输气管道强度的影响主要表现为局部应力集中;缺陷深度系数对高含硫输气管道极限承载能力影响最大,缺陷长度系数影响次之,缺陷宽度系数影响最小。研究成果为普光气田高含硫输气管道剩余强度评价提供了理论依据。     

湿气输送天然气管道腐蚀检测与安全性分析

为预测分析20号碳钢湿气输送天然气管道未来的腐蚀速率,选取了具有代表性的采气管段进行了极端情况下金属的损伤积累速度的腐蚀检测.结果表明,管道输气量和水气比是激化腐蚀的主导因素,指出腐蚀速率会随着输气量和水气比的增大而提高,在输气量和水气比相近的情况下,腐蚀速率随H2S含量增加而升高;在靠近焊缝的母材中H2S容易诱发氢致裂纹和脆化,并且随着天然气中H2S含量增加,氢致裂纹的倾向会加大.此外,受冲刷腐蚀的影响,弯管处的腐蚀速率较高.     

X80管线钢性能特征及技术挑战

针对X80管线钢研发与应用现状以及目前存在的问题,综述了影响X80管线钢性能的主要因素、研究进展以及发展X80钢管道面临的技术挑战。详细分析了X80管线钢的冶金特征与组织结构,概述了X80管线钢的焊接工艺、焊接冶金学特征及性能,总结了X80管线钢的机械性能和力学特征。具体讨论了X80管线钢在服役环境中的失效机制,包括腐蚀、氢致开裂、焊缝区失效、应变失效等,并以此为基础,探讨了发展X80钢管道需要克服的技术挑战,以保障油气安全、高效输送以及能源管道的可持续发展。(图1,表8,参86)     

低合金Cr-Mo钢的氢腐蚀低频疲劳特性

应用弹塑性断裂力学,研究了低合金Ｃｒ－Ｍｏ钢的氢腐蚀低频疲劳和纯机械疲劳特性,并对裂纹的扩展速度进行了计算．结果表明,氢腐蚀加快了低合金Ｃｒ－Ｍｏ钢低频疲劳的扩展速度。     

0．8设计系数下天然气管道用焊管关键性能指标

研究了0．8设计系数下天然气管道用焊管满足断裂控制要求的母材和焊缝韧性指标,评估了钢管100％SMYS水压试验的可行性。对于采用0．8设计系数、直径1219mm、设计压力12MPa的天然气管道,为防止钢管启裂,要求焊缝夏比冲击韧性最小平均值为80J;为满足管道止裂要求,要求钢管母材夏比冲击韧性最小平均值为260J。对管径为1219mill的X80钢管批量生产屈服强度数据的统计分析和评估结果表明：X80钢管进行100％SMYS工厂水压试验是可行的,但需要优选板材和钢管性能稳定的供货商,并严格进行水压试验后的钢管几何尺寸检测。（表4,图5,参6）     

天然气管道爆破对同沟敷设管道的影响试验

为了分析天然气管道爆破对同沟敷设管道性能的影响,利用管道断裂控制试验场开展了X90全尺寸气体爆破试验,分析管道爆破对同沟敷设管道变形行为、管材性能的影响。研究表明:天然气管道爆破会引起同沟敷设管道发生明显的弯曲、压扁变形,且变形管段中间部位的椭圆度较大;在热辐射作用下,钢管的性能发生了明显变化,裂纹的扩展抗力降低,且随着壁厚增大,显微硬度呈先升高再降低的趋势,受热层厚度约为700μm;热辐射能显著影响钢管的微观组织,受热部位表面组织晶粒发生一定的粗化,失去了原有生长取向,而深层组织的变化较小。     

保障中俄东线天然气管道长期安全运行的若干技术思考

针对中俄东线天然气管道的实际服役状况,分析了土壤运动(冻胀与解冻沉降)对管道结构完整性的影响以及基于管体结构-土壤弹簧模型在确定管-土交互作用方面的局限性,即非线性、大应变与多轴加载评估的保守性、土壤本构模拟与真实状况的偏离,建议发展新型多模块耦合集成技术确定土壤运动产生的机械效应。明确了X80高强管线钢在服役条件下发生应变时效及其导致管线钢(尤其是焊缝区)材料韧性和止裂能力的降低,建议使用时效活化能与等效时效时间模拟、评估管线钢在漫长服役过程中发生应变时效的敏感性,并建立相应的理论基础。此外,详细分析3种常见的管道缺陷(机械损伤、腐蚀缺陷、裂纹)对管道完整性影响的评估技术现状。针对高压、大口径、高强钢天然气管道(特别是焊接金属与热影响区)在地质不稳定地区的材料韧性、裂纹扩展以及止裂能力开展实验与评价技术,建立精确的多物理场协同作用下的管道缺陷评估模型,是当前的国际性技术难题,这些问题的解决将有力保障中俄东线天然气管道以及相关油气管道的长期安全运行。     

高钢级天然气长输管道止裂控制技术现状

因高钢级（≥X90）管线钢难以依靠自身韧性止裂,同时缺乏适用于高钢级管线钢止裂器设计的相关准则,故对于向高钢级发展的国内天然气管道而言,在管道安全可靠性方面面临巨大挑战,而止裂控制问题是其中的关键。从理论研究和工程设计与应用两个方面系统梳理了天然气长输管道止裂控制技术的国内外发展历史与现状,介绍了相关计算公式和不同种类止裂器的功能原理,分析了当前止裂控制技术存在的问题与不足,指出了今后高钢级管线钢止裂控制的研究方向,对于促进高钢级天然气长输管道的发展具有指导意义。（图7,表1,参19）