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）     

喷丸强化10Ni3MnCuAl钢的表面性能

对10Ni3MnCuAl钢磨削表面进行不同强度的喷丸强化处理,分析了喷丸强化后10Ni3MnCuAl钢的金相组织及喷丸表层下微观结构的变化,测量了喷丸影响层的显微硬度以及喷丸强化所形成的残余压应力场, 研究了喷丸所造成显微硬度、金相组织和表面残余应力等表面完整变化.结果表明, 喷丸强化可显著改善10Ni3MnCuAl钢表面完整性及其疲劳寿命. 喷丸强度高时将产生过喷效应,导致疲劳寿命的降低,实验测得最佳喷丸强化弧高值为0.40 mm时表面质量最好,喷丸影响层的残余应力深度达450 μm.     

磨削、研磨、喷丸处理对马氏体不锈钢疲劳强度的影响

通过对马氏体不锈钢（２Ｃｒ１３）试片热处理强化处理后,分别进行了磨削及磨削后研磨加工、喷丸处理,以探讨表层硬度、表层残余应力及表面粗糙度等诸因素对疲劳强度的影响。实验表明,减少表面粗糙度Ｒａ值,增加表层残余压应力是提高２Ｃｒ１３不锈钢使用寿命的有效方法。     

地磁激励条件下X80钢拉伸疲劳过程磁记忆信号变化特征

疲劳破坏和应力性损伤是海洋立管主要损伤形式。为研究地磁激励下拉伸疲劳过程中典型海洋立管材质X80钢表面磁场信号变化规律，利用MTS810 250疲劳拉伸试验机对X80钢材质试样进行了典型工况下的疲劳拉伸试验。试验过程中借助磁记忆传感器监测拉伸试样表面的磁场变化，借助手持显微镜观察疲劳过程中试样疲劳破坏情况，借助扫面电镜分析断口形貌。结果表明：磁记忆对拉伸疲劳损伤敏感，提出了以去背景磁记忆信号极值H_E(X)、切向梯度信号极值的连线斜率S_K(X)为特征值的X80钢拉伸疲劳损伤磁记忆检测特征参数。在裂纹萌生时，H_E(X)和S_K(X)会出现过零点的现象；随着循环周次的增加，H_E(X)和S_K(X)增加的速度也逐渐加快，跟疲劳过程裂纹扩展规律一致，H_E(X)和S_K(X)能够很好地反映试样的疲劳破坏过程，可用于海洋立管疲劳损伤的监测。研究成果可为磁记忆检测方法在海洋立管疲劳损伤检测的现场应用提供参考。(图15，表1，参26)     

喷射沉积Al-20Si/SiCp复合材料的热疲劳行为

采用V型缺口试样对喷射沉积Al-20Si/SiCp复合材料进行了热循环试验,用光学金相显微镜和扫描电镜研究了在热应力作用下的热疲劳裂纹扩展方式和形态.结果表明:热疲劳裂纹优先在V型缺口处萌生;复合材料经一定的热循环次数后随相对密度的提高,裂纹扩展速率下降;在复合材料的三大相——α-Al基体、Si相以及SiC颗粒中,α-Al基体阻碍热疲劳裂纹的扩展,裂纹非连续性扩展;裂纹扩展方式受Si相的尺寸和分布状态控制,裂纹绕过Si颗粒向前扩展以及裂纹穿过Si颗粒向前扩展是裂纹碰到Si颗粒时常出现的两种机制;SiC颗粒与热疲劳裂纹有强烈的交互作用,加强SiC颗粒与基体的界面结合有利于提高热疲劳寿命.     

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。     

X52管材的疲劳裂纹扩展速率试验研究

开展了Ｘ５２薄壁管材的ｄａ／ｄＮ疲劳裂纹扩展速率的试验研究,包括试样制备,试验原理,等,得到了Ｘ５２管材母材和焊缝材料的ｄａ／ｄＮ可用于分析含裂纹管道的工作寿命。指出在分析裂纹沿管子径向扩展的工作寿命时得出的试验结果需作修正。     

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.     

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。     

断口分离对X90焊管断裂阻力影响试验

高钢级管道输送是世界天然气管道发展的必然趋势,其中X90 管道裂纹长程扩展的阻力是研究的重点内容之一。为了明确断口分离对X90 焊管断裂阻力的影响,选取中国小批量试制的X90焊管开展了夏比冲击试验(Charpy V-Notch Test,CVN)和落锤撕裂试验(Drop-Weight Tear Test,DWTT),对比分析了CVN 与DWTT 的能量关系、断口分离对DWTT 断裂阻力的影响。研究结果表明:对于X90 焊管,当CVN 能量密度小于450 J/cm^2 时,DWTT 与CVN 的能量密度呈线性关系,二者增长速度一致;当CVN 能量密度超过450 J/cm^2 时,DWTT 与CVN 的能量密度不再呈线性关系,随着CVN 能量密度增加,DWTT 能量密度缓慢增加。断口分离主要降低了DWTT 总能量中的裂纹扩展功,对起裂功无显著影响。与CVN 试样相比,全厚度的DWTT 试样能够更准确反映断口分离对裂纹扩展阻力的降低作用。     

冷却介质对YG8硬质合金热疲劳性能的影响

采用V型缺口试样,研究了YG8硬质合金在10～650 ℃热循环下冷却介质分别为pH=5.2的盐酸溶液、pH=7.4水、pH=8.8的氢氧化钠溶液的热疲劳行为.通过扫描电镜和变焦体显微镜观察疲劳断口形貌和疲劳裂纹形貌,研究热疲劳裂纹形成与扩展机制.结果表明：冷却介质对热疲劳性能影响显著,同样循环次数下在pH=5.2的盐酸中冷却先出现裂纹,且扩展速率较快;pH=8.8的氢氧化钠溶液次之,水(pH=7.4)是三者中抗热疲劳性能最好;在中性介质中,裂纹的扩展方式主要为WC相缺少Co粘结相的粘接作用而不断被剥落产生微孔洞,随着微孔洞尺寸不断变大,相邻的孔洞将相连形成微裂纹,沿WC/Co相界面扩展,在腐蚀介质中,疲劳裂纹形成过程变得十分复杂,扩展方式主要为裂纹穿过腐蚀疲劳坑和通过大尺寸的团聚物扩展.     

球面多点加压适张圆锯片残余应力研究

该文综合分析了圆锯片在工作中受到的离心应力、切削热应力以及辊压和锤击适张产生的适张残余应力，并比较了辊压和锤击两种适张方法的优点和不足.为了取长补短，作者提出了多点加压适张新方法，即用球面、柱面或锥面等压头对锯片进行加压适张.研究中用X射线应力检测仪对球面多点加压适张后锯片内的残余应力进行了测定.结果表明，新适张方法所获得的应力分布曲线相当理想，即适张获得的残余应力几乎抵消了锯片在工作中受到的离心应力和热应力之和.这表明多点加压是一种很有开发价值的圆锯片适张新方法.此外，X射线检测时，在适张前后，锯片切线方向皆为拉应力，而径向为压应力. 经电解抛光10 μｍ后，无论径向还是切向，所测得应力的绝对值都有不同程度的下降. 由于机加工的影响，锯片中心孔边缘、锯片外缘和槽孔附近存留一定的残余应力.      

基于使用寿命模型的含裂纹钢制管道剩余寿命计算

为研究带有裂纹损伤管道剩余寿命的计算方法,针对正常使用环境下的钢制管道提出了同时考虑变形和承载力要求的含裂纹管道的使用寿命模型,该模型包括2个阶段,即裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段。对裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段分别采取局部应力应变状态方法和弹塑性断裂力学裂纹扩展理论方法进行分析,推导出管道在2个阶段剩余寿命的计算方法。在此基础上综合考虑环境以及平均应力对裂纹扩展速率的影响,根据安全系数法的原则,讨论了含裂纹钢制管道剩余寿命的计算问题,给出了含裂纹钢制管道剩余寿命的计算公式,为工程实践提供了理论依据。     

X射线衍射法测定圆锯片的适张残余应力

该文应用X射线衍射应力测定仪对不同状态的圆锯片进行了残余应力分布的实验测定，并对实验方法和最终得出的应力分布进行了详细的分析讨论.结果表明，对于未适张锯片，辊压带内外锯片上切向和径向应力均为压应力；对于正常适张的锯片，其切向应力在辊压带外为拉应力，辊压带内侧为压应力，径向应力在辊压带内外均为压应力；对于已使用多年，适张失效锯片，其切向和径向应力均为压应力. 实验中还发现入射的X射线除了沿半径方向外，沿其他方向入射，在其表层都呈φ角分离现象，在经电解研磨去除20～30 μm锯片表层后此现象消失.      

削片机主轴断口分析与断裂强度

黑龙江省友好木材综合加工厂Ⅱ号削片机,使用43个月其主轴完全破断。本文对主轴断口进行了微观分析,发现多处焊接缺陷和冷裂纹,疲劳扩展后,形成一环状疲劳开裂区,导致主轴疲劳强度严重降低,在事故性的较大连续冲击力下造成主轴终断。本文还进行了复合型断裂计算和剩余寿命估算。     

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。     

大型铁路轴承表面变质层研究

应用显微硬度、光学显微镜、X射线衍射、SEM及 AES等,分析与研究了大型铁路轴承(197 726)表面变质层的成分、组织与残余应力,发现变质层中硬度的变化与磨削热产生的相变及表层碳量下降有关,表面存在很大残余压应力,但分布不均匀。     

管线钢氢相容性测试方法及氢脆防控研究进展

在研究氢脆发生机理与损伤机制时，常采用慢应变速率拉伸试验、疲劳寿命试验等手段，以力学性能、疲劳寿命等为指标衡量金属的氢脆敏感性。对于典型管线钢材料，其在不足5 MPa的氢气压力下，或在氢气体积分数10%的掺氢天然气环境中，已经在慢应变速率拉伸等试验中表现出明显的韧性下降、裂纹加速扩展等氢损伤特征。为模拟钢在氢气环境中服役，试验中常采用气相充氢与电化学充氢方法，前者能够模拟多种气相对管线钢氢脆的作用，后者能够快速模拟管线钢长时间服役后氢原子的渗透情况。针对氢脆过程及机理总结并分析了3种主要的氢脆防控技术：(1)调控管线钢材料与加工工艺，优化其微观组织，增加扩散速率，减弱氢原子聚集现象；(2)引入气体抑制剂，通过竞争吸附的方法减缓氢分子在材料表面的吸附；(3)增设管道内涂层，使氢气与管线钢基体金属隔离。并基于此提出进一步优化管道氢脆防控技术的建议。（图1，表1，参59）     

GIS壳体焊缝缺陷的安全评定方法

针对某在役特高压电网GIS壳体焊缝发现的缺陷,引入缺陷断裂安全评定和疲劳评定方法。采用与原壳体相同的材料和焊接工艺制作的焊接试板,通过试验获得母材和焊缝试样的力学性能、疲劳裂纹扩展及断裂性能。采用GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》中的推荐方法,对壳体纵焊缝中两个最大缺陷进行断裂评定和疲劳评估。结果表明:该GIS壳体中的两个缺陷在当前工况下是安全的,按焊接试板测试的疲劳裂纹扩展速率估算,壳体左筒体缺陷的疲劳寿命循环次数为6 971次,壳体右筒体缺陷的疲劳寿命循环次数为37 915次,估算的疲劳寿命还有待于实践校验。建议在运行中特别关注缺陷疲劳扩展的状态监测,约5年后应进行无损检测,并与现缺陷对比,进行安全评定。评定结果与该设备投用以来的安全运行状态相符,说明,GB/T 19624-2004的评定方法可适用于高压电网GIS壳体的安全评定。     

减震器吊环扩口开裂的原因分析

20钢冷拔管经退火后进行喷丸、扩口成型,扩口时出现局部纵向开裂问题。采用体视显微镜、光学显微镜、SEM、EDS、显微硬度计等设备对20钢减震器吊环的断口形貌、非金属夹杂、显微组织、裂纹缺陷内部成分以及显微硬度进行分析与测试。结果表明:由于炼钢炉内壁保护渣剥落,在穿孔时心部组织形成裂纹缺陷,且在裂纹缺陷处存在增碳现象致使吊环的力学性能存在差异,加之管体退火后残余应力与扩口应力相互叠加致使裂纹发生扩展,减震器吊环外壁存在浅表层折迭缺陷,非金属夹杂与带状组织较为严重,也进一步促使钢管开裂。通过对减震器吊环失效原因的研究分析,不仅对其失效进行了有效预防,而且对这类性质的失效问题的研究具有指导和推广意义。