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。     

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。     

含轴向裂纹管道内压作用下的稳定性评定

通过Ｊ积分的弹塑性解,计算了含轴向裂纹管道在内压作用下的撕裂模量,叙述了撕裂模量相对于Ｊ积分的裂纹扩展稳定性评定图的绘制方法,并结合实例,分析了受压管道轴向裂纹稳定扩展的载荷范围,预测了裂纹失稳扩展时的临界压力。     

油气管道裂纹评价方法

油气管道裂纹评价的理论基础是断裂力学。在线弹性断裂力学中,应力强度因子(SIF)是判断油气管道裂纹是否将进入失稳扩展状态的重要指标。油气管道为金属材料,发生严格线弹性断裂的可能性不大,但只要塑性区尺寸远小于裂纹尺寸,经过适当修正,应用线弹性理论分析产生的误差可以接受。当塑性区尺寸与裂纹尺寸处于同一量级时,需要应用弹塑性理论,包括裂尖张开位移(COD)判据和J积分。可以采用应力强度因子、失效评价图及有限元方法评价油气管道裂纹的状态,有限元方法能够在一定程度上弥补其它2种方法在适用性方面存在的不足,但同时存在建模和计算效率较低,难以进行预防性评估的缺点。     

含裂纹管道承压能力的评定

应用断裂力学的Ｊ积分理论，推导了含裂纹管道的弹性评定方程和失效评定曲线表达式，对存在表面裂纹的管道承压能力进行评定，并用此方法对输库输油管道的承压能力进行评定，所得结果与现场试验数据相吻合，与美国ＡＭＯＣＯ公司对该管道分析的结论相一致，说明该评定方法是正确的，具有推广应用价值。     

裂纹管道失效评定中的有限元方法

J积分的精确计算是含缺陷结构安全评定的基础。对管道上的表面裂纹采用线弹簧单元，建立了黎明纹管道J积分计算的有限元模型，给出了J积分的计算实例，其于J积分理论，利用这种有限元模型得到了裂纹管道的精确换效评定曲线，根据计算结果，讨论了影响失效评定曲线的各种因素。分析表明，裂纹尺寸和管材材料性能参数等都对失效评定曲线产生影响，用单一的失效评定曲线进行评定会出现精度较差的问题，因此，采用提出的有限单元方法对裂纹管道的失效进行精确评定具有重要意义。     

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-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。     

轮南首站管道弯头爆裂的力学分析

对轮库输油管道轮南首站的Φ720×8 mm管道弯头发生的爆裂进行了力学分析,分析采用了有限元法。分析与计算结果表明,弯头爆裂时的0.04 MPa工作内压不是爆裂的因素,而是由于温差的作用,在弯头处产生较大的弯矩,继而引起较大的弯曲环向应力。当温差超过一定值时,由它所引起的弯曲环向应力使管道弯头焊缝爆裂。     

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。     

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。     

X52石油管材的J积分试验研究

通过对X52薄壁管材断裂韧性的试验研究,包括试样制备、试验原理、试验程序等,得到了X52薄壁管材母材和焊缝材料的J积分值,为进一步研究该管材在石油管道工程中的承压能力和安全性等问题提供了理论分析依据。指出对这样的管材做小试样的J积分试验来测试其断裂韧性既方便、合理,又经济。     

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。     

管道计算机辅助断裂评定系统研究

管道断裂评定工作是管道系统安全运行的重要保证，应用计算机辅助手段进行油气管道断裂评定能够大大简化工程人员的工作，使断裂评定工作更趋科学化。重点分析了油气管道计算机辅助断裂评定系统的研究和开发，介绍了系统的设计原则、系统构成、总体设计、设计流程和系统的实现，并简要分析了系统评定过程及结果的可靠性，为管道断裂评定提供了科学依据。     

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.     

关于西气东输工程管道止裂问题的思考

管道的断裂分为脆性断裂和延性断裂两大类,随着理论研究的深入和冶金工业的发展,脆性断裂问题已基本解决。而在输送压力和钢材等级提高以后,延性断裂及其止裂成为主要的研究领域。对于止裂问题,着重阐述了缺陷的允许值及临界裂纹长度与起裂、管道止裂的Rudinger试验、Battelle止裂试验和止裂条件,以及定货规范中对CVN值的要求等理论问题。根据我国目前有关止裂问题的理论与实际研究现状,提出了深入开展止裂研究的若干重大建议以及管道试压介质选择必须注意的问题。     

断层作用下海底管道应变的改进解析分析方法

活动断层是海底管道的主要地质灾害威胁之一,断层作用下管道会产生过量的轴向变形而失效。提出一种改进的走滑断层作用下海底管道应变解析分析方法:根据线性强化模型考虑了管材的非线性本构关系,通过理想弹塑性本构的非线性土弹簧模型准确计算土壤非线性约束对管道结构响应的影响,由管道受力微分控制方程推导得到管道内轴向应变的解析结果,并给出管道伸长量的显示表达式。最终基于平衡方程和迭代计算,可以精确计算管道应力应变。对比有限元计算结果,改进后的管道应变解析分析方法较现有的推荐方法(Newmark法)计算精度更高。