X80管线钢在管道凹陷状态下的应变演变特征

高钢级管线钢管在施工和服役过程中会产生凹陷等缺陷,从而改变应力和应变分布特征,影响管道的服役可靠性。为此,以X80管线钢管为研究对象,采用ABAQUS有限元分析软件,分析了外部载荷作用下含单纯凹陷管道随凹陷深度变化的应变场分布特征,通过实物凹陷预制试验探明凹陷区应变分布和显微组织特征,结合有限元模拟结果讨论X80管线钢管含单纯凹陷状态下的应变分布规律。研究结果表明:(1)在相同内压条件下,不同凹陷深度下凹陷区的应变表现出相似的分布特征——应变量随着与凹陷中心距离的增加而增大,达到应变峰值后随距离的增大而快速减小;(2)应变量随着凹陷深度的增加而增大,并且在相同的内压及凹陷深度下,同一位置处的轴向应变大于径向应变;(3)凹陷深度越大,内压与深度对应变影响的叠加效应越大;(4)凹陷变形初期材料发生了应变硬化,随着变形的深入及凹陷半径的外延,材料应变响应能力增加,凹陷区底部和侧壁晶粒沿着变形最大的方向被拉长,晶格被扭曲,发生应变硬化,使得该区域位错密度增大,位错间产生相互作用,从而提高管线钢的强度。结论认为,该研究成果可以很好地预测凹陷过程中的应力应变演变规律,可以为机械损伤对管道服役安全影响研究提供理论基础和试验依据。     

截面畸变对小半径热煨弯管性能的影响

小半径热煨弯管在生产过程中会出现截面趋于椭圆、壁厚减薄或增厚等各种截面畸变,上述缺陷有可能会降低管道的承载能力。为了研究截面畸变对小半径热煨弯管性能的影响,以不同组合工艺参数煨制小半径热煨3D(D表示管道直径)弯管,通过截面几何尺寸分析、畸变分析、理化性能试验、微观组织分析等方法综合分析了3D弯管和常规5D弯管截面畸变、组织性能情况及其关联性。研究结果表明:(1)3D弯管增厚率和减薄率约是5D弯管的2倍,3D弯管圆度是5D弯管的2~4倍;(2)3D弯管截面畸变显著,各部位加热温度差异较大,使得组织形态或含量有所不同,导致3D弯管外弧侧、内弧侧及中性区等各部位力学性能数值分布较为离散;(3)多数弯管内弧侧强度都达不到标准的要求,强度大小顺序分别为弯管外弧侧、弯管中性区和弯管内弧侧,夏比冲击韧性大小顺序与强度恰好相反;(4)随着圆度的增加,内、外弧侧强度呈下降趋势,随着增厚率的增加,内弧侧强度呈下降趋势,随着减薄率的增加,外弧侧强度呈上升趋势。     

20钢等径三通失效分析

通过断口分析、化学成分分析、显微组织、布氏硬度以及电化学腐蚀性能测试,并结合该类三通的生产工艺,对发生脆断开裂的20钢计量撬等径三通进行了失效原因分析。结果表明,20钢无缝管采用液压冷胀成形工艺制造的三通未按标准要求进行正火或退火处理,加工硬化引起的材料脆化未能通过正确的热处理加以消除,导致三通本体缺陷容限的降低,诱发脆性断裂,并且冷变形还会使三通材料的电化学腐蚀性能显著下降,加速三通本体腐蚀,三通内壁上的腐蚀坑成为脆性断裂的裂纹源。建议加强对三通的质量监督和出厂检验。     

预应变对含焊缝区X80管线钢应变响应特征及拉伸性能的影响

高通量天然气管道在使用过程中由于增压将引发局部变形,对管道材料的服役安全性会产生不利的影响。目前对于预变形引发硬化现象的研究主要集中在母材区域或焊缝区域,而对于含焊缝区域管线钢的研究则甚少。为此,以含焊缝区域的X80管线钢为研究对象,采用不同拉伸预变形量来模拟管道增压形成的单向拉应力,以此为基础研究焊缝和母材协同应变引起的加工硬化对管线钢拉伸性能的影响规律。研究结果表明:(1)在拉应力的作用下,焊缝区域和母材区域均发生应变响应;(2)焊缝区域较大晶粒尺寸可以有效增加晶界与内部位错的流动阻力,具有较高的应变硬化能力,使得再次变形时焊缝区屈服强度高于母材区,因此拉伸过程主要集中在母材区域;(3)预变形量越大,应变硬化现象越显著;(4)焊缝区的强应变响应能力导致断裂发生在母材区域并且断口形貌由微孔聚集型向准解理型断裂转变。结论认为,该研究成果可以为X80管线钢焊接工艺设计及高通量条件下的天然气管道安全评价提供理论基础和实验依据。     

X90超高强度输气钢管材料本构关系及断裂准则

针对试制成功的X90输气钢管,进行5种不同圆棒缺口的准静态拉伸试验及应力三轴度计算,发现由于试样缺口存在,应力三轴度值增加2.43倍,断裂应变减少29%,损伤应变能降低71%。利用常规拉伸试验机和Hopkinson拉杆试验装置进行不同应变速率拉伸试验发现,应变速率对断裂应变的影响相对较小,准静态和高速状态下,差异最大约10%。基于Johnson-Cook本构和失效模型,分别建立了考虑应变率效应的X90管线钢本构模型和考虑应变率、应力三轴度的失效模型;同时,基于损伤力学理论,得到了基于塑性均匀延伸率和损伤应变能的X90管线钢断裂准则。基于材料损伤应变能密度临界值不变假设以及试验数据,得到了X90管线钢断裂特征长度与应力三轴度、试样直径之间的关系式。     

金属表面Ni-P化学镀层研究现状

从力学和耐蚀性能方面,综述了Ni-P二元化学镀层、三元化学镀层和化学复合镀层的研究现状。对于不同基材上的二元镀层,表面钝化剂、络合剂和热处理影响碳钢二元镀层的力学与耐蚀性能;表面阳极化、激光表面合金化和热处理影响铝合金二元镀层的附着力、耐蚀性与硬度;表面阳极活化和热处理影响不锈钢二元镀层的结合力与硬度。对于三元镀层,热处理和激光晶化影响Ni-W-P三元镀层的耐磨性与耐蚀性;含Mo元素的Ni-Mo-P三元镀层在不同温度下热处理后,均表现出良好的耐蚀性;稀土金属氧化物可改变三元化学镀层的镀速、表面质量、晶体结构与耐蚀性能。对于复合镀层,由于添加了Si C,Si O_2,WC和PTFE等不溶性粒子,因此硬度、耐磨性、耐蚀性和自润滑性得到提高。三元化学镀层与化学复合镀层的力学和耐蚀性能明显优于二元化学镀层,是Ni-P化学镀研究和发展的方向。     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度，低弹性模量，优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性，已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料，但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此，在考虑制造缺陷的条件下，通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度，并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比，得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律，最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明：①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降，在径厚比值较低时，钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大，而当径厚比值较高时，钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管；②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近，同时在径厚比大于15时，计算结果乘以0.9的系数，具有较好的安全性。结论认为，该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

石油管用Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金高温流变行为及预测模型研究

通过使用Gleeble-3500热模拟试验机进行等温单轴压缩试验,研究了Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金在温度800到1100℃,应变速率0.01到10 s-1条件下的高温流变行为。结果表明,Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金的峰值应力随着变形温度的降低以及变形速率的增大而增大,软化机制在950℃以下为动态回复,在950℃以上为动态再结晶。通过使用线性回归的方法建立了Ti-6Al-4V-0.1Ru钛合金的Arrhenius本构模型,计算得到该合金的热激活能为720.477 kJ/mol,应变速率敏感指数为4.809。通过引入应变对材料常数α、n、A和Q的影响,建立了考虑应变的流变应力预测模型,通过对试验值和预测值的比对,相关系数达到96.9%,说明该模型具有较好的预测精度。     

IV型瓶聚乙烯内胆材料氢渗透行为研究

对IV型高压储氢气瓶内胆材料高密度聚乙烯（HDPE）的氢气气体渗透性进行了研究,主要分析了结晶度及温度对HDPE氢渗透的影响。通过对试样熔融后降温过程的控制,制备了不同结晶度的HDPE试样,试验结果表明,随着结晶度的增加,试样的氢气气体渗透系数降低。当温度从15℃升高到80℃时,氢渗透系数升高了近一个数量级,但渗透系数的温度依赖性低于二氧化碳及甲烷。     

地下储气库注采管柱气密封螺纹接头优选

为解决国内地下储气库井注采管柱气密封螺纹接头选用混乱且适用性不清的问题,首先对现有标准和气密封试验数据进行统计比对分析,发现各种气密封螺纹接头的拉伸效率相同,但其压缩效率差异大且现有标准已不适用于储气库注采管柱气密封螺纹接头的选择,认为注采管柱气密封螺纹接头的选择必须考虑管柱载荷的交变;然后结合2口储气库井注采工况,基于管柱力学理论计算获得2种规格注采管柱的最大拉伸载荷和最大压缩载荷,对比已选用的气密封螺纹接头,重点研究了接头拉伸效率、压缩效率与管柱载荷之间的关系,提出了注采管柱气密封螺纹接头优选判据;进一步利用全尺寸实物复合加载试验机对2种规格注采管柱进行多周次气密封循环试验,试验结果证实了上述判据的合理性。所提出的优选判据不仅可以作为气密封螺纹接头优选的基本依据,而且还可以作为储气库井注采管柱设计的依据,并纳入了中国石油天然气行业标准。