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。     

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）     

机械喷丸对X80管线钢疲劳性能的影响

为了研究机械喷丸对X80管线钢疲劳性能的影响,利用气动式喷丸机对X80管线钢试样进行机械喷丸处理,对机械喷丸前后单联中心孔试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨机械喷丸时间对X80管线钢疲劳寿命的影响,分析机械喷丸前后单联中心孔试样疲劳断口形貌。试验结果表明:机械喷丸后,X80管线钢表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未喷丸处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内。在疲劳裂纹稳定扩展区,疲劳条带间距随着机械喷丸时间的增加而减小,说明机械喷丸有效降低了管线钢疲劳裂纹扩展速率,改善了X80管线钢的疲劳特性。     

L245管线钢硫化氢腐蚀模拟试验

为了掌握油气管道在湿硫化氢环境中的材质适应性,通过硫化氢腐蚀模拟试验研究了L245管线钢在高含硫化氢环境下的氢损伤行为。试验研究表明:在高含硫化氢环境中,L245材料的均匀腐蚀速率并不高,最大腐蚀速率不超过0.045 mm/a,主要失效形式是氢鼓泡和应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SCC),当硫化氢的质量浓度超过8 000 mg/L时,应加强对设备设施的检测,或提高设备的材料等级,提前采取防护措施。     

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.     

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）     

高强度管道钢氢致开裂门槛应力测定

采用恒载荷和慢应变速率动态拉实验方法。测定了X80管道钢在不同充氢条件下的氢致开裂门槛应力和断裂应力，测试结果表明，X80管道钢在0．5mol/L H2SO4 0.25g/L As2O3溶液中充氢时，试样中可扩散氢浓度（C0）和充气电流的方根（√i）呈线性关系，不同充氢条件下慢应变速率拉伸时断裂应力均随氢浓度升高而下降，恒载荷下氢致滞后断裂门槛应力随氢浓度的对数而呈线性下降。     

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。     

稻谷应力裂纹的分形研究

利用分形理论对稻谷产生的应力裂纹进行了分析研究。扫描电子显微镜的观察结果表明，稻谷产生的应力裂纹具有分形特征。建立了稻谷应力裂纹的沿晶脆断、穿晶脆断、沿晶和穿晶偶合脆断3种弯折扩展分形模型；建立了稻谷应力裂纹的分叉扩展分形模型，其分形维数与分叉角的大小有关。对稻谷产生应力裂纹的4种分形扩展模型进行了动力学分析，得到以下结论：沿晶和穿晶偶合脆断的临界扩展力＜沿晶脆断的临界扩展力＜穿晶脆断的临界扩展力＜分叉扩展的临界扩展力。     

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)     

管道钢在土壤环境中应力腐蚀模拟溶液进展

综述了国内外管道钢土壤环境应力腐蚀开裂试验室模拟溶液体系,结合我国土壤腐蚀性分布特点,探讨了管道钢在我国实际土壤环境中应力腐蚀开裂(SCC)研究体系的确定等问题,为我国管道钢土壤应力腐蚀开裂研究提供了思路,并根据我国土壤理化性质给出了鹰潭和库尔勒两种土壤环境的模拟介质。     

X65钢管环焊缝冷裂倾向分析及预防措施

许多焊接结构的破坏事故都是以裂纹为起点，而钢材的淬硬组织、焊接拘束应力和氢的扩散聚集是导致Ｘ６５钢管道环焊缝冷裂产生的基本原因，通过对Ｘ６５钢焊接冷裂敏感性的分析，提出相应的预防措施，以保障管道的安全运行。     

中碳钢管敷设野外输油管道的实践

根据中碳钢管敷设野外输油管道的实践，提出了用中碳钢管替代低碳钢管必须解决的问题，论述了解决方法。中碳钢管材（Ｊ－５５）的化学成分，含碳量介于４０＾＃与４５＾＃钢之间，含硫量明显低于低碳钢，含锰量变化区间较大，计算出的碳当量大于０．６％，表明管材的呆焊性较差；其机械性能，抗拉强度和屈服极限比低碳钢高，冲击韧性相对较上，延伸率变化区间大；其机械性能，抗拉强度和屈服极限比低碳钢高，冲击韧性相对较小，延伸     

轮库输油管道的断裂失稳分析

以弹塑性断裂力学的J积分理论为基础,综合考虑裂纹的J积分弹性解和全塑性解,分析了含裂纹延性管道的弹塑性断裂问题,通过对含内表面半椭圆轴向裂纹管道的J积分弹性解和全塑性解的分析并进行迭加,得出在载荷作用下反映管道内表面半椭圆裂纹扩展能力的J积分表达式,现场断裂管道的验证分析表明,计算结果与现场事故数据基本吻合,根据相关文献,计算出轮库输油管道母材和焊缝材料的管材系数,并以试验得出的轮库输油管道的断裂韧性JIC值为依据,在上述J积分表达式的基础上,计算了含有内表面半椭圆轴向3裂纹的轮库输油管道母材和焊缝材料的临界失稳压力,为该管道在设计工况下安全运行提供了理论依据。     

注水管道腐蚀缺陷裂纹扩展速率的确定方法

在试验的基础上，研究了注水管道中以腐蚀为主、疲劳为辅的腐蚀缺陷裂纹扩展机理，认为腐蚀缺陷裂纹扩展主要是由印化膜开裂引起的。在此基础上，建立了腐蚀缺陷裂纹扩展率的数学模型，并提出了求解此数学模型的有效方法，以胜利油田营－11试验区某段加缓蚀剂的注水管道为例，利用腐蚀缺陷疲劳裂纹扩展数学模型预测注水管道腐蚀缺陷尺寸随时间的变化趋势，预测结果和智能检测仪的检测结果基本一致。     

天然气管道爆裂事故原因及防范措施

通过对某长输天然气管道发生的爆炸事故进行详细的技术分析,确定了其发生爆管泄漏的原因和点火源。对爆裂管道的断口进行了宏观检查和测量,分析了断口宏观形貌;对发生爆裂和未发生爆裂的管道分别取样,进行化学成分分析和金相分析;沿爆裂管段横向取块状拉伸样品进行拉伸性能测试;对爆裂管道和未爆裂管道横截面进行显微硬度测试;在爆裂管道靠近划伤区域和未爆裂管道上分别取小块试样,进行金属内部氢含量测试;在扫描电镜下对断口进行观察。基于上述,确定了管道断裂原因,即管道表面严重划伤,造成管道发生氢致开裂,导致天然气泄漏,并与空气混合,形成爆炸性混合气体,遇供电线路绝缘子放电火花,发生爆炸火灾事故。最后从完整性管理、外防腐层检测、阴极保护等多个方面提出了有效的防范措施。（图11,表3,参6）     

加氢反应器材料的应力腐蚀试验

在常温状态下,用慢应变速率法研究了2.25Cr-1Mo-0.25V钢加氢反应器在湿硫化氢介质中的应力腐蚀行为,分析了硫化氢浓度对加氢反应器材料应力腐蚀的影响程度,并对试样微观断口形貌进行了扫描电镜分析.结果表明,在硫化氢浓度增加的介质中,加氢反应器材料的应力腐蚀性增强.     

钢筋混凝土临界锈胀力预测的双K断裂模型

应用混凝土断裂理论,结合混凝土存在初始裂缝和微缺陷的特性,假定混凝土内部钢筋表面位置沿径向存在两条初始裂纹,导出了应力强度因子的近似解析解。通过应力强度因子与锈胀力的关系建立了基于双K断裂参数的保护层初裂和完全开裂时刻的临界锈胀力预测模型,进而提出了考虑界面间隙和钢筋锈损厚度的混凝土结构锈胀开裂耐久寿命预测方法,为钢筋混凝土结构锈蚀损伤耐久寿命预测提供了一种新的理论方法。对不同的初始裂缝长度将临界锈胀力的预测值与实验结果进行比较,证实了预测模型的有效性,并对临界锈胀力的主要影响因素做了分析。