缺陷管道疲劳寿命预测新模型及试验验证

传统的韧性控制单参数疲劳寿命预测方法不适用于高韧性管线钢的疲劳寿命预测。鉴 于此,根据Paris疲劳裂纹扩展速率公式da/dN=c(ΔK)n,基于失效评估图(FAD)技术,同时 考虑疲劳裂纹扩展对裂纹尖端应力强度因子和参考应力的影响,建立了对管道疲劳寿命进行预测 的新模型,并通过自行研制的一套用于油气输送管道全尺寸实物疲劳试验系统做了验证。结果表 明:新模型计算结果为试验结果的1/2左右,从疲劳寿命预测角度是完全可接受的,具有一定的 工程安全性。     

含缺陷油气管道剩余疲劳寿命的预测

采用Paris公式计算分析了含轴向表面裂纹油气输送管的疲劳裂纹扩展过程 ,通过含缺陷油气输送管的全尺寸实物疲劳试验 ,对所采用的含缺陷管道疲劳寿命预测方法的计算结果做了实验验证 ,结果表明 ,含缺陷管道的疲劳寿命数值计算结果与实物试验结果基本吻合 ,采用Paris公式以及Zahoor等提出的管道表面裂纹尖端应力强度因子表达式进行油气输送管道的疲劳寿命计算分析是可行的。由分析和计算得知 ,含表面裂纹缺陷钢管疲劳加载周期为 1465次 ,考虑安全裕度 ,其剩余疲劳寿命约为 2 0a。含外表面裂纹疲劳扩展过程分为疲劳裂纹稳定扩展和疲劳裂纹快速失稳扩展两个阶段 ,前者的扩展周期较长 ,后者的扩展周期相对较短。     

X80管线钢与氢环境相容性试验研究

针对在高压气相氢环境下开展的X80管线钢慢应变速率拉伸试验、断裂韧性试验、疲劳裂纹扩展速率试验,分析了不同氢分压对X80管线钢力学性能、疲劳性能及断口形貌的影响规律。研究结果表明,氢分压是影响材料氢脆和疲劳性能的重要因素,随着氢分压的增加,X80管线钢的氢脆敏感性显著增大,缺口疲劳试样的疲劳循环次数显著降低,断口韧窝间出现典型的具有小平面和撕裂棱的准解理特征脆性断裂形貌,疲劳裂纹扩展速率急剧增加,增加了管道失效风险。研究结果可为高强度输送掺氢天然气管道工程临界评估提供参考。     

X70管线钢在模拟土壤介质中裂纹扩展特性研究

试验研究了X70管线钢在模拟土壤介质 0 5mol/LNa2 CO3 + 1mol/LNaHCO3 溶液中和循环载荷下的裂纹扩展特性和宏观规律。结果表明 ,裂纹扩展主要受裂尖应力强度因子幅的控制。不同的应力比下 ,裂纹扩展呈现明显的门槛值特征 ,随着应力比的升高 ,裂纹扩展的门槛值降低。在碱性碳酸盐溶液 (pH =9 3)中 ,加载频率对裂纹扩展速率没有明显的影响 ;在中性碳酸盐溶液 (pH =7 0 )中 ,裂纹扩展速率随加载频率的降低而升高 ,呈现明显的频率效应。中性碳酸盐溶液中的裂纹扩展速率高于碱性碳酸盐溶液的裂纹扩展速率 ,且随加载频率的降低 ,裂纹扩展速率增大     

小疲劳裂纹扩展的模型

对于不同的材料来说，Ｋ－Ｔ图具有相同的形式。根据这一设想，本文提出了一个统一的模型，该模型不但可以描述不同应力水平下的微观小裂纹扩展速率，而且可以描述不同应力水平下的宏观小裂纹扩展速率。本模型在描述小裂纹扩展时，考虑了敏感应力的微观边界阻滞效应。在已知材料的疲劳极限和微观边界尺寸的情况下，该模型可以比较容易地预测小裂纹寿命。在不同应力水平下，前人已研究了７０７５－Ｔ６铝合金和ＨＴ６０钢的小裂纹扩展     

管道含外表面裂纹时的疲劳寿命预测研究

为有效预测含外表面裂纹管道的疲劳裂纹扩展寿命,基于扩展有限元方法,计算了不同管道半径厚度比、裂纹形状参数、裂纹相对深度下的管道外表面裂纹的应力强度因子。研究结果表明:管道外表面裂纹形状因子随裂纹相对深度的增加而增大,且随着裂纹形状参数的增大,其增加趋势更加显著;裂纹相对深度相同时,裂纹形状参数越大,裂纹形状因子越大;管道半径厚度比对管道外表面半椭圆裂纹形状因子的影响较小。在此基础上,建立了管道外表面裂纹应力强度因子的工程计算模型及基于Forman方程的含外表面裂纹管道的疲劳寿命预测模型。同时,开展了0Cr18Ni10Ti材料管道的三点弯曲疲劳试验,试验结果验证了所建含外表面裂纹管道疲劳寿命预测模型的有效性。该疲劳寿命预测模型可为管道结构工程设计提供参考。     

20CrMo钢短裂纹行为和抽油杆表面允许裂纹深度

研究了抽油杆材料20CrMo钢穿透长、短裂纹和表面长、短裂纹在近门坎区的裂纹扩展行为。结果表明：短裂纹比长裂纹的裂纹扩展速率更快，门坎值更低，表面允许裂纹深度更小。因此，用长裂纹扩展速率和门坎值计算抽油杆剩余寿命，比考虑短裂纹效应的要高，最好使用裂纹扩展速率与有效应力强度因子幅计算抽油杆的剩余寿命。用短裂纹的门坎值重新计算了D级抽油杆各关键部位允许存在的裂纹尺寸。     

16Mn钢海底管道材料疲劳裂纹扩展试验研究

采用取自足尺度海底管道16 Mn钢制成的标准紧凑拉伸(CT)试件进行了疲劳裂纹扩展试验,利用背面应变法测量了疲劳裂纹扩展过程,并研究了取材方向和试验环境因素对疲劳裂纹扩展速率的影响,拟合出了不同取材方向与不同试验环境下Paris常数C和m。研究结果表明:试件材料取材方向对疲劳裂纹扩展初始阶段有一定影响,但对总体疲劳裂纹扩展趋势基本无影响;海水环境对疲劳裂纹扩展影响显著,且海水中疲劳裂纹扩展速率约为空气中的2倍。本文研究结果不仅可以定量分析16 Mn钢在海水腐蚀环境下与空气环境下疲劳裂纹扩展速率的差异,且能为后续基于Paris公式来预测管道腐蚀疲劳寿命的研究提供基本参数,为服役中的海底管道腐蚀疲劳问题的研究提供参考。     

近中性土壤溶液中X65管线钢应力腐蚀开裂研究

将中国西部某管线现场取得的土壤样品配制成土壤溶液,对X65管线钢在该土壤溶液中进行氢渗透、慢拉伸和应力波动试验。通过观察试验数据和试件主断面及表面扫描电镜图,评价X65管线钢在该土壤溶液中发生SCC的敏感性及其他力学因素对SCC的影响。结果表明:X65管线钢在试验土壤溶液中对SCC是敏感的,氢原子的渗入使得敏感性提高,且提升的幅度较大,CO2气体能够促进氢在管线钢中的渗透;应力波动对应力腐蚀开裂初始阶段裂纹的萌生有重要的影响,二次应力波动试验表明,交变载荷的作用能够导致裂纹的进一步扩展。     

X100高压输送管线裂纹止裂预测探讨

参考目前X100高钢级管线全尺寸气体爆破试验结果,讨论了管线钢材料流变应力、DWTT能量对管道止裂行为的影响,研究分析了现有裂纹止裂预测模型对X100高钢级管线预测的局限性.提出了M参量(M=CV NV2/yS)的预测方法.分析结果表明,用参量M可以很好地预测管线裂纹扩展和止裂.结合材料流变应力、DWTT能量和参量M可以为实际管道工程用钢管的关键力学性能指标的确定提供支持.     

X70管线钢管环焊接头氢脆敏感性研究

针对X70管线钢管环焊接头进行12 MPa总压、0.36 MPa氢分压下的缺口拉伸试验,研究焊接接头的氢脆敏感性变化,并结合断裂韧性试验和疲劳裂纹扩展速率试验对其的断裂韧性和裂纹扩展行为进行了研究。结果表明,热影响区位置的断面收缩率下降较明显,表现出较高的氢脆敏感性;与常温常压空气中的原始数据相比,X70钢热影响区在0.36 MPa氢分压环境下的裂纹尖端张开位移（CTOD）值下降了9.6%,断裂表面未出现二次裂纹;X70钢热影响区的疲劳裂纹扩展速率与空气环境相比增加了一个数量级,说明氢气能够增大材料的疲劳裂纹扩展速率,但根据实际管道压力波动情况,在0.36 MPa氢分压条件下X70钢管的氢脆敏感性较小。     

输氢管道采用X80管线钢的设计建议

高强度管线钢常被用于长距离、大输量天然气管道输送,然而目前的输氢管道采用低强度管线钢,以避免氢脆的产生。为了探究大直径X80管线钢输送加压氢气的能力,对X80管线钢试样进行了拉伸、韧性、裂纹扩展和圆片破裂试验。根据试验结果,分析了输氢管道压力对试样缺陷临界尺寸的影响,从而对X80输氢管道的设计提出了建议。研究表明,在一定输送能量下,氢的运输成本可能比天然气高出数倍。此外,尽管低强度钢的氢脆敏感性更低,但使用高强度钢建造输氢管道比使用低强度钢可带来10%～40%的成本效益。     

A Pipeline Fracture Model of Hydrogen-induced Cracking

1. Introduction There are two modes of hydrogen transport in the crack tip process zone; diffusion transport and dislocation transport. Diffusion transport occurs under persistent or instant stress, and the stress and strain field of the crack tip is a very important factor, which makes the distribution of hydrogen tend to be in equilibrium. On the contrary, dislocation transport occurs under dynamic strain, and the plastic strain rate is a controlling parameter, which makes the distribution o…     

TMCP工艺对X70管线钢在酸性环境中织构和抗氢脆性能的影响

为研究热机械轧制（TMCP）工艺对X70管线钢抗氢脆性能的影响,采用两种不同的TMCP工艺参数改变钢的组织和织构,并通过电化学充氢和氢渗透试验,研究了织构和微观结构对X70管线钢抗氢致开裂（HIC）性能的影响。结果表明,TMCP并没有改变钢板的物相,不同TMCP参数的钢板均由针状铁素体、多边形铁素体及少量珠光体组成,且大多分布在晶界周围;增加氢浓度会使位错周围产生氢气氛并锁定位错,使改变塑性变形所需的应力增大,导致硬化。研究表明,冷却速率能够影响晶粒尺寸,冷却速度越高,晶粒尺寸越小,较多的精轧道次和较快的冷却速率会增加钢中可逆陷阱的数量,促使发生HIC。     

管线钢断裂和疲劳裂纹扩展特性研究

对厚度分别为3mm、6mm、9mm、12mm、1mm的紧凑拉伸(CT)试样进行了断裂韧性试验,研究了X60管线钢的断裂特性.研究结果表明,由于试件厚度与分层裂纹间有强烈的耦合效应,表观断裂韧性不随厚度的变化而变化,靠增加试样厚度无法获得材料的平面应变断裂韧性,应用穿透裂纹的表观断裂韧性数据进行管道的安全评定不可靠;考虑塑性区修正的有效应力强度因子K_e与弹塑性J积分参量K_J在失稳扩展前保持了良好的等效性.对厚度分别为2mm、4mm和14mm的CT试样的疲劳裂纹扩展试验表明,高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应,厚度效应敏感区在4 mm以内.     

疲劳载荷作用下X80管线钢夹杂物的微观行为

X80管线钢是我国长输管线的主要用钢,其安全性评价直接关系到管线的经济性和安全性。采用扫描电镜（SEM）原位观测的方法,动态跟踪观察了拉-拉疲劳载荷作用下国产X80管线钢中不同形状和尺寸的夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至试样断裂的全过程,并计算了影响X80管线钢疲劳性能的临界夹杂尺寸。结果表明,非金属夹杂物能够导致X80管线钢疲劳裂纹的萌生与扩展,疲劳裂纹首先在夹杂/基体界面的基体一侧萌生,然后向远离夹杂的基体中扩展;在拉-拉疲劳载荷作用下,X80管线钢薄板疲劳裂纹的稳态扩展速率为10⁻¹⁰ m/cycle量级;夹杂物尺寸越大,疲劳裂纹萌生越早,试样寿命越短。为了避免夹杂物对管线钢疲劳性能的危害,管线钢中夹杂物的尺寸应尽量控制在临界尺寸之内,尤其应避免出现带状夹杂物。     

掺氢天然气长输管道泄漏扩散规律数值模拟

目的探究多因素耦合下掺氢导致的天然气长输管道泄漏扩散规律。 方法以西气东输二线工程为研究对象,采用Fluent软件建立管道二维平面泄漏扩散模型,通过单因素和多因素耦合分析掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响。 结果随着掺氢比增加,甲烷扩散区域的质量分数和宽度减小,而氢气则相反;随着泄漏孔径增大,掺氢天然气扩散的质量分数和范围增加;随着风速增加,掺氢天然气泄漏后扩散的质量分数增加,且分布逐渐向下风向偏移,而扩散高度减小;大气温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响不显著。不同因素对掺氢天然气管道泄漏扩散范围的影响程度为:泄漏孔径＞风速＞掺氢比＞大气温度。 结论4种影响因素中,泄漏孔径对掺氢天然气管道泄漏扩散的影响程度最大,因此应重点防范掺氢天然气管道因腐蚀等因素引起的管道开裂、穿孔引起的泄漏。 