油气管线裂纹型缺陷的疲劳寿命预测

利用文献数据,采用Paris公式计算和分析含轴向表面裂纹的油气输送用X60管线钢的疲劳裂纹扩展过程,通过对比含裂纹缺陷油气输送管的全尺寸实物疲劳试验结果,对所采用的基于失效评定图技术的含裂纹缺陷管道疲劳寿命预测方法的计算结果进行了间接的试验验证.结果表明,含缺陷管道的疲劳寿命数值计算结果与试验结果相吻合,采用小试样测试结果经Newman法修正后进行油气输送管道的疲劳寿命计算和分析是可行的.     

埋藏裂纹应力强度因子的有限元分析

采用三维奇异单元模拟裂纹前缘应力应变场的奇异性,建立了计算球形压力容器中埋藏裂纹应力强度因子的有限元模型,有限元分析结果和经验公式计算结果吻合较好,证明所建有限元模型具有较高的准确性和可靠性。通过仿真计算,分析不同因素对应力强度因子的影响,得出了裂纹前缘应力强度因子随裂纹形状、容器壁厚以及裂纹中心与壁厚中心的偏移量与壁厚比值的变化规律。     

管道中表面裂纹的疲劳扩展研究

基于核反应堆结构的破前漏（ＬＢＢ）分析，采用损伤力学方法，研究了压力管道和容器中表面裂纹在循环载荷作用下的疲劳扩展问题，得到了表面裂纹在不同的初始形状和载荷条件下扩展、贯穿和形状演化的一些基本规律。研究结果表明，对于一个小尺寸的表面裂纹，当它刚好扩展成为贯穿壁面的裂纹时，壁厚与该贯穿裂纹的长度之比总是在一定范围内。这对于部件的ＬＢＢ分析是很有意义的。     

管道轴向裂纹检测脉冲远场涡流传感器设计与仿真分析

脉冲远场涡流检测方法结合了脉冲检测频率丰富以及远场方法适于铁磁性管道检测的优势,因此文中采用脉冲远场技术对管道轴向裂纹进行了检测。首先分析了脉冲远场涡流的检测原理,通过提取感应电压信号的负峰值和过零时间作为特征量可以分析管道的检测信息,在此基础上设计了4种不同结构的传感器模型,比较了4种模型过渡区的远近、对轴向裂纹检测灵敏度的高低以及对不同壁厚管道检测的结果。仿真结果表明：与其它模型相比，连通激励磁路的传感器模型具有更好的检测效果。     

含垂直穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含垂直穿透裂纹板受拉伸载荷作用的断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用有限元方法求解虚功原理方程.首先对弹塑性杆的动态响应进行了数值计算.参照LS_DYNA中处理断裂问题的单元失效方法,对受拉伸载荷作用的垂直穿透裂纹板断裂过程进行了计算.结果表明:一维杆的弹性波和塑性波的计算结果和解析解相符,说明了该方法和计算程序计算结构动态响应的可靠性.受冲击拉伸载荷作用,应力波在板中传播并在裂纹表面反射后出现畸变,裂纹尖点出现应力集中,裂纹沿初始方向扩展,当裂纹扩展长度为初始长度2倍时,裂纹在板边界处出现分叉,裂纹扩展过程和理论分析结果相符.     

输气管道裂纹动态扩展及止裂技术研究进展

对输气管道裂纹动态扩展和止裂技术的研究工作进行了综合论述。讨论了输气管道裂纹动态扩展的止裂判据及输气管道止裂韧性的确定方法。将输气管道裂纹动态扩展中的流体结构断裂相互作用问题的力学模型归纳为一维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型 3种 ,介绍了有限元模型建立的原理和研究方法。研究结果表明 ,对于动态延性断裂的止裂 ,除了预测止裂韧性值 ,还应该预测裂纹扩展长度 ,以控制裂纹扩展造成的危害 ;对于高韧性钢管 ,应用传统的V型缺口夏比冲击实验 (CVN)和落锤撕裂实验 (DWTT)方法预测会产生与断裂无关的显著能量散失 ,因而须改进现有的方法或发展替代性的管道止裂韧性实验方法 ;确定裂纹尖端张开角是一种有发展前途的方法 ;改进现有有限元模拟方法的途径之一是采用适应裂纹扩展情况的重新划分网格技术 ,而不是采用固定网格的方法。     

缠绕式容器的疲劳分析与实验研究

本文研究了缠绕层对内筒含穿透裂纹的容器疲劳扩展速率的影响。结果表明：即使在等壁厚、等裂纹长度、等应力的条件下，内筒含穿透裂纹的缠绕式容器的裂纹扩展速率也明显小于单层容器的裂纹扩展速率，缠绕层数越多，上述作用越显著。本文还得出了缠绕式容器的鼓胀系数计算式。揭示了：压力容器或高压管道只要适当缠绕几层扁平钢带，其疲劳、断裂性能就可较显著地得到改善。     

含周向裂纹管道在非对称弯矩组合载荷作用下塑性极限载荷分析

根据净截面垮塌准则,分别求出了含埋藏裂纹、外表面裂纹、内表面裂纹、穿透裂纹管道在非对称弯矩、内压及轴力三种载荷共同作用时的塑性极限载荷计算公式,并给出了穿透裂纹在纯弯曲时中性轴圆心角和无量纲弯矩系数随裂纹偏离角的变化情况。所给出的计算公式可用于管道安全评价。     

含周向裂纹管道在非对称弯矩组合载荷作用下塑性极限载荷分析

根据净截面垮塌准则 ,分别求出了含埋藏裂纹、外表面裂纹、内表面裂纹、穿透裂纹管道在非对称弯矩、内压及轴力三种载荷共同作用时的塑性极限载荷计算公式 ,并给出了穿透裂纹在纯弯曲时中性轴圆心角和无量纲弯矩系数随裂纹偏离角的变化情况。所给出的计算公式可用于管道安全评价。     

基于裂纹尖端张开角准则的多裂纹薄壁结构剩余强度分析

评估由中央裂纹（M(T)）试样获得的裂纹尖端张开角(CTOA)预测多裂纹薄壁结构剩余强度的有效性.利用ABAQUS软件建立含有M(T)试样的二维有限元模型,采用裂纹尖端张开角断裂准则和平面应力模型模拟其裂纹扩展过程.对具有不同初始裂纹长度的M(T)试样,该方法预测的剩余强度和载荷-裂纹扩展增量曲线与试验结果接近,误差小于6%;但对于含有多条裂纹试样的剩余强度预测值偏大,相对误差在20%左右.通过增加对裂纹尖端周围单元约束的改进,采用平面应变核模型可以有效提高剩余强度预测精度;对具有不同多裂纹构型的薄壁结构进行分析,采用恒定裂纹尖端张开角和平面应变核的方法均可以得到与试验相近的结果,剩余强度预测误差基本都在10%以内.

     

基于裂纹扩展的管道钢阻力曲线测试评估

高级别新型管线钢的不断涌现,其管材韧性和强度都得到了大大提高。然而,现有断裂韧性测试方法要求采用高约束的标准试样,管线钢很难满足试样尺寸条件,管道钢断裂韧性和裂纹扩展阻力的测试需要经过大量的实验和数值模拟评估。本文利用三点弯试样,测试了X65管线钢的断裂韧度和阻力曲线,对现有断裂韧度测试标准进行了评估,利用损伤模型评估了X65管材阻力曲线的厚度约束效应。结果显示：标准BS7448比ASTM-E1820计算得到的CTOD值更大,并且随着裂纹扩展长度增加,两种方法得到的CTOD比值增大。     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

X80管线钢的研究与应用

基于长距离高压油气输送管道建设的需要,高强度高韧性管线用钢得到迅速发展。X80管线钢正是在这种背景下被开发出来的。由于其具有优良的强度和低温韧性,良好的焊接性能与抗腐蚀性能,可以有效节约工程建设费用,同时降低管道运行维护成本,因此X80管线钢正在全球范围内得到越来越广泛的应用。论述了X80管线钢的应用情况、化学成分特点、显微组织及强韧性能,介绍了TMCP（热机械控制）工艺在X80管线管生产中的应用。     

X80输气管线悬空状态下的安全评价

X80管线在我国西部恶劣复杂的环境中运行时,各类地质灾害经常造成管道悬空现象,严重影响管道的安全运营。在万能材料试验机上对X80管线进行拉伸试验,得其本构关系,为仿真计算提供依据。借助弹性地基理论、Winkler假定对悬空管道力学模型进行分析,应用基于应变准则的失效判据来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X80悬空输气管道的安全状态进行模拟与分析。结果表明:最大应力、应变及挠度与悬空长度、管径比(D/t)呈正相关;悬空管道的危险点,位于埋设段与悬空段交汇处。这些结论为悬空管道的安全评估提供了一定的理论基础。     

考虑压缩失效时埋地管线跨地震断层的最佳交角研究

在断层错动下埋地管线跨断层的最佳交角研究方面,已有方法均以管道受拉失效为基本假定,未考虑管道压缩失效的情况.本文利用管体壳模型有限元方法进行了跨断层管线在断层错动下管体反应的计算分析,在考虑管材特性、管道尺寸及地基土特性多种影响因素的情况下,探讨了在仅控制轴向拉伸应变值和同时控制轴向拉伸应变值与轴向压缩应变值两种管道失效控制准则下管道的失效问题,分析了不同失效控制准则对管线跨断层的最佳交角的影响.发现失效控制准则是确定最佳交角值的关键因素,而且基于同时考虑拉伸和压缩失效的控制准则,管线跨断层的最佳交角应在70°左右.     

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤，建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型，结合海底管道实际工作条件的变化范围，分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律，将6个参数作为输入层参数，以管道损伤作为输出参数，将数值模拟结果作为训练样本，通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明：坠物撞击能量越大，管道损伤越大，管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓；管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加，管道损伤减小；饱和黏土海床不排水抗剪强度越大，管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型，仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数，模型简单、便捷，能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤，数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件，具有很好的适用性，为海底管道损伤预测提供了新思路。     

管道轴向双裂纹夹角对尖端应力强度因子的影响

管道裂纹应力强度因子的分析是裂纹是否扩展判断和管道疲劳断裂计算的关键.应用通用有限元软件ANSYS对不同管道外径、裂纹尺寸、不同夹角下含轴向双裂纹管道裂纹尖端应力强度因子进行了计算.结果表明,管道和裂纹尺寸确定时,裂纹尖端应力强度因子随裂纹间夹角增大而增加;管道尺寸确定时,随着裂纹长与壁厚比增加,夹角对裂纹尖端应力强度因子影响增强.通过分析夹角对双径向裂纹应力强度因子的影响,为工程实际中合理地判断裂纹扩展可能性和精确地进行管道疲劳断裂计算提供参考.     

高强度管线钢的原位拉伸形变分析

运用原位拉伸扫描电子显微镜的观察方法和微观取向分析手段,对比分析了2种高强度级别管线钢X100和X80的动态塑性变形行为.结果表明：X100和X80的微观组织均主要由针状铁素体、粒状贝氏体和M/A岛状组织组成;在拉伸应力的作用下,X100级管线钢的针状铁素体首先发生形变,且随着应变的增加、针状铁素体应变量的累积而导致粒状贝氏体发生形变,其氧化夹杂物成为微裂纹成核的核心,并随着拉伸应力的增加而扩展、连接并导致裂纹贯穿基体,直至失效,在发生形变后,其晶体的{111}晶面沿拉伸形变方向转动;X80级管线钢原位拉伸产生了滑移带,并发生形变,直至断裂.
     

基于等效缺陷尺寸在役焊接安全性评价研究

采用有限元模拟软件SYSWELD对X70管线钢在役焊接瞬时温度场进行模拟,综合考虑焊接熔池尺寸及高温区金属强度损失,运用强度路径积分法对焊接熔池进行等效。将等效熔池看作是体积型缺陷,基于等效缺陷尺寸对在役焊接安全工作压力进行计算,进而对输气管道在役焊接安全性进行评价。结果表明:随着壁厚增大,安全工作压力增大,安全性增强;管径增大,安全工作压力减小,安全性降低,等效缺陷长度修正因子可削弱这种影响;气体介质条件下安全工作压力与饱和水介质相比较小,同时气体压力、流速对安全工作压力影响较小,在一定壁厚下用常规空气冷却条件下的等效缺陷尺寸进行安全性评价是保守的。     

不均匀场地钢制波纹接头埋地管线地震响应

震害调查表明,地震作用下埋地管线主要发生轴向接头拔出破坏,提升接头变形能力可有效地减轻埋地管线地震破坏。提出一种柔性大变形钢制波纹接头,以土弹簧模型考虑管土相互作用非线性特征,考虑两种力学性能的场地土,采用有限元方法对不均匀场地下埋地管线进行地震响应分析。分别建立有波纹管接头连接和无接头埋地管线有限元模型,数值分析了不同地震动作用下波纹管接头对地下管线应力、能量耗散、内力等的影响规律。结果表明：埋地管线在不均匀场地交界面处最大应力显著增加,波纹管接头可以有效减小管道轴力、弯矩以及von Mises应力。