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     

抽油杆表面横向裂纹扩展试验研究

用３５ＣｒＭｏ材料制成符合国标Ｄ级抽油杆机械性能指标的圆棒试件。通过试验研究了带表面横向裂纹试件在拉─拉交变载荷作用下表面横向裂纹的扩展情况。用降载勾线法描述了试件表面横向裂纹前沿的变化过程；根据试验数据的多项式回归，找出了试件表面横向裂纹前沿的变化规律。此试验结果可作为抽油杆表面横向裂纹扩展速率和抽油杆失效分析的依据。     

X52管线钢的低循环频率疲劳裂纹扩展试验

为了研究输气管线在实际服股状况下的疲劳裂纹扩展，预测管线的使用寿命，采用较低的载荷循环频率，对ＡＰＩＸ５２管线钢做疲劳裂纹扩展试验，实验中摄取了断口的显微照片，表明了非金属夹渣在裂纹疲劳扩展中的作用，对试验数据进行了统计分析，得到了试件的Ｐａｒｉｓ常数的统计参数。     

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。     

管线钢高pH值应力腐蚀裂纹研究

许多油气管道断裂事故与管道外表面的应力腐蚀开裂(SCC)有关.对高pH值溶液中的16Mn钢和X70管线钢分别进行了电化学测试和拉伸试验,利用动电位极化曲线测试得到了快慢扫描极化曲线(慢扫描速度20 mV/min,快扫描速度1 000 mV/min),根据它们的差值确定了16Mn钢和X70管线钢对高pH值应力腐蚀开裂敏感的电位.结果表明,环境温度对敏感电位的影响较大,随温度的升高,扩大了敏感电位区间.在高pH值应力腐蚀敏感电位(-600 mV SCE)下,恒定加载试样应力到管材屈服极限的70％,试样表面未出现表面开裂;而在间断加载条件下,在颈缩区表面出现了裂纹,说明载荷的波动是高pH值应力腐蚀裂纹萌生的必要条件,且高pH值应力腐蚀开裂易发生在塑性变形和应力集中处.     

天然气输送管线的止裂机理研究

对天然气输送管道裂纹的受力情况及裂纹的止裂机理进行了较为详细的分析,结果表明：管道轴向裂纹动态扩展的止裂性能与管材抵抗轴向裂纹扩展的能力有关,但在天然气传输管道中,减压速度低,管道阻止轴向裂纹扩展的韧性对动态裂纹的止裂并不起决定的作用,其止裂的关键是裂纹动态扩展过程中产生偏向环向的Ⅰ-Ⅲ型裂纹扩展.增大轴向裂纹扩展阻力和降低管材环向裂纹扩展阻力均可提高天然气输送管道的止裂性能.因此,在高压长输管线的止裂问题中应充分考虑管材的各向异性对裂纹止裂的有利影响,以降低管线的造价.     

含轴向裂纹等径焊制三通的塑性极限载荷

在几个简化假设的前提下 ,采用弹塑性有限元方法 ,系统分析了内压下含轴向裂纹的等径焊制三通的极限载荷及其变化规律 ,分别给出了含轴向裂纹、穿透型裂纹及表面裂纹的三通极限载荷的估算公式 ,并将估算公式计算出的值与有限元数值解进行了比较。结果表明 ,深短裂纹和浅表面裂纹对极限载荷影响很小 ,内表面和外表面两种裂纹形式对极限载荷的影响差别不大 ,可采用外表面裂纹来分析 ;给出的估算公式具有较高的精度和合理的保守性     

含轴向裂纹等径焊制三通的塑料性极限载荷

在几个简化假设的前提下,采用弹塑性有限元方法,系统分析了内压下含轴向裂纹的等径焊制三通的极限载荷及其变化规律。分别给出了含轴向裂纹、穿透型裂纹及表面裂纹的三通极限载荷的估算公式,并将估算公式计算出的值与有限元数值解进行了比较。结果表明,深短裂纹和浅表面裂纹对极限载荷影响很小,内表面和外表面两种裂纹形式对极限载荷的影响差别不大;可采用外表面裂纹来分析;给出的估算公式具有较高的精度和合理的保守性。     

高钢级输气管道裂纹延性扩展及止裂模拟技术研究

为了有助于我国高钢级管道止裂设计研究,使我国天然气管道运行更加安全,综合分析了气体载荷模拟方法和断裂处理方法,以及金属裂纹延性扩展与止裂预测之间的关系。以X90管线钢管为研究对象,基于ABAQUS软件,从天然气状态方程建立入手,研究建立全耦合的管道裂纹动态扩展及止裂数值模拟技术。将金属断裂准则应用于有限元计算中,通过流体、固体、断裂全耦合计算得到输气管道裂纹扩展时的裂纹扩展速度和气体减压波速度,对比两种速度判断裂纹是否可以止裂。     

油井管的腐蚀疲劳研究进展

油井管在服役工况下常常受到腐蚀介质和交变载荷(弯曲、振动)的共同作用,会发生严重的腐蚀疲劳破环。分析了环境、力学状态和材料特性等因素对腐蚀疲劳的影响,介绍了油井管腐蚀疲劳的国内外研究现状、裂纹萌生机理和裂纹扩展机理。裂纹萌生机理包括点蚀坑处应力集中、构件几何不连续、驻留滑移带和表面膜破裂等,裂纹扩展机理包括阳极溶解、活性因子、表面能减小、产物转移和产物膜因素等。指出油井管腐蚀疲劳研究的重点和难点是腐蚀环境下的腐蚀疲劳机理,应深入研究服役工况下各种影响因素之间的耦合作用对油井管腐蚀疲劳的影响。以现场测试数据为基础,结合试验和数值模拟方法进行腐蚀疲劳研究,可为油井管的断裂理论奠定基础,也可为油气井安全生产提供保障。     

管线钢的裂纹生长预测新模型

氢脆是影响管线钢寿命最严重的破坏机理之一。传统的裂纹生长预测模型没有考虑pH值和温度等环境因素的影响,且只能考虑应力强度较大的加载循环对裂纹生长的影响,忽视了小周期加载的作用。笔者基于氢促进解离（HEDE）和氢增强局部塑性（HELP）两种主流理论,采用氢扩散的动力学模型,建立了一种新的裂纹生长预测模型,并将该模型应用于裂纹生长的预测及小周期对裂纹生长的影响的量化。研究结果表明,建立的裂纹生长模型综合考虑了氢势能、扩散系数、裂纹尖端附近的静水应力和临界加载频率等因素对管线钢裂纹扩展速率的影响,预测值与实验值吻合。利用模型可以将微观裂纹分为惰性、激活、快速增长3个状态,便于管道维护和安全评测;模型将环境因素引入管线钢寿命预测,增强了预测的普适性和准确性;并量化了油气输送中普遍存在的小周期加载对管道裂纹扩展速率的影响。     

压电功能梯度材料裂纹端部场分析

功能梯度材料作为一种新型材料,其性能优于单一材料。在石油工业中,由于单一材料并不能很好地满足工业的需求,而这种新型材料恰好弥补了这一缺陷与不足。同时,材料的断裂问题是任何机械工业中所不可避免的。鉴于此,借助有限元方法,对压电功能梯度材料的裂纹端部场进行了详细分析。主要研究力、电耦合载荷作用下,裂纹在梯度材料中的位置以及裂纹深度对裂纹端部应力的分布及其大小的影响。     

TS-90连续油管断裂失效分析

为了分析某井气举作业用TS-90连续油管断裂失效原因,通过宏观分析、无损检测、几何尺寸测量、化学成分分析、力学性能测试、金相检测、扫描电镜（SEM）等手段,对该失效连续油管进行了试验研究。试验结果显示,该失效连续油管的管体壁厚、外径、化学成分、显微硬度、晶粒度均符合API SPEC 5ST—2010要求;油管表面整体布满台阶状横向裂纹,裂纹沿油管周向扩展;原始裂纹断口表面大量腐蚀产物覆盖,且从裂纹源区到裂纹尖端部位,始终存在少量导致应力腐蚀开裂的S元素;原始裂纹萌生于腐蚀坑底,裂纹尖端呈局部沿晶脆性断裂,且断口外表面附近呈解理形貌。综合分析结果表明,该连续油管断裂的根本原因是应力腐蚀开裂,其在井下作业时受腐蚀因素和应力载荷的共同作用,管体外表面萌生应力腐蚀裂纹,裂纹扩展并最终导致管体断裂失效。     

TC4-DT及TC21钛合金疲劳裂纹扩展速率的对比分析

为进一步研究航空主承力疲劳结构件损伤容限型钛合金的疲劳裂纹扩展问题,基于新版标准疲劳裂纹扩展试验方法GB/T 6398—2017,对两类损伤容限型钛合金TC4-DT及TC21进行测试。结果表明,低速扩展阶段,TC4-DT较TC21的疲劳裂纹扩展速率更小,宏观断口形貌粗糙度较大。当裂纹尖端应力强度因子范围ΔK处于24～31 MPa·m1/2的初始稳态扩展阶段时,裂纹扩展速率曲线基本重合,TC4-DT较TC21具有更长的稳态扩展区,断口形貌较为平滑。随裂纹长度的增加,应力强度因子范围ΔK约为断裂韧度KIC的50%时,进入失稳扩展阶段,断裂面粗糙度增加。     

表面裂纹的三维模拟及应力强度因子计算

考虑到裂纹前缘处的应力奇异性,在利用有限元方法计算平板表面裂纹的应力强度因子时,裂纹前缘采用三维四分之一分点20节点等参退化奇异单元。研究了裂纹前缘采用奇异单元的边长L与裂纹深度a之比L/a、围绕奇异单元层数R以及裂纹前缘每层单元划分的份数m(网格疏密)对计算结果的影响,并用无因次化的形状系数Y表示应力强度因子,分析结果与Newman-Raju公式计算结果基本相近。     

Q345R钢厚板焊接接头断裂疲劳性能试验研究

对60mm厚度的Q345R钢手工焊焊接接头的金相组织、断裂性能和疲劳性能进行了试验研究,讨论了厚板焊接接头在母材、焊缝和热影响区的断裂韧度JIC和不同深度下的疲劳裂纹扩展速率变化情况。结果表明:①Q345R钢厚板焊接接头焊缝区组织为细化均匀的铁素体和少量珠光体,热影响区和母材组织均为粗大铁素体和少量珠光体。②焊缝的断裂韧度(309.35kJ/m2)较母材(227.97kJ/m2)和热影响区(237.26kJ/m2)好,热影响区和母材断裂韧度接近。③在相同应力强度因子幅下,焊缝区材料的疲劳裂纹扩展速率低于母材,坡口中间层疲劳裂纹扩展最慢。④热影响区不同深度试样的疲劳裂纹扩展速率一致,比母材稍慢。⑤应力比对热影响区疲劳裂纹扩展速率没有影响,但对焊缝区试样有一定影响,当应力强度因子幅小于30MPa槡m时,应力比大,裂纹扩展速率快。     

半潜式钻井平台浮箱表面裂纹损伤研究

如何评价和处理现役海洋平台存在的各种裂纹是我国海洋工程界面临的一大难题。半潜式钻井平台由于结构更复杂,且浮箱和立柱对水密性要求严格,裂纹问题更加严重。以我国南海5号半潜式平台检测出的浮箱表面裂纹为研究对象,将平台结构整体分析与裂纹尖端局部断裂力学分析相结合,采用ABAQUS软件构造板壳结构表面裂纹,对决定裂纹是否扩展的断裂力学参量以及腐蚀等因素对裂纹尖端断裂力学参量分布的影响进行了研究。本文方法及研究结果为含裂纹半潜式钻井平台结构的安全评估奠定了基础。     

近焊缝区液化裂纹产生原因分析

为了改善工程施工过程中焊件焊缝开裂问题,采用SEM扫描电子显微镜、俄歇电子能谱仪（AES）对焊缝裂纹断口进行了微观形貌和化学成分分析,结果显示,裂纹断口属于典型的沿奥氏体晶界开裂的热裂纹形貌特征,Pb、Si、S、P元素在裂纹断口表面偏析严重。分析认为,该裂纹属于热裂纹中的近缝区液化裂纹,低熔共晶产物的存在是引起液化裂纹的主要原因。提出要尽量采用小的焊接热输入量,减少高温停留时间,从而减少低温共晶在高温下受拉应力的作用时间,有助于减少焊接热影响区裂纹的产生。     

三维断裂理论在管线钢安全评定中的应用

引入三维应力约束Tz理论和等效厚度概念 ,对三维裂纹的应力强度因子和断裂韧性的计算进行了改进 ,并通过含表面裂纹、单边和双边角裂纹的断裂试验验证了三维断裂理论用于油气输送管线钢剩余强度评定的可行性。试验结果表明 ,此管线钢中的裂纹起裂韧性Ki值随裂纹形态和方位的不同有较大差别 ,且都低于穿透裂纹的起裂值。经三维断裂理论分析后发现 ,所有三维裂纹形态的三维起裂韧性Kzimax都与穿透裂纹的三维起裂韧性Kzithrough值很接近。这说明三维起裂韧性Kzi基本与裂纹形态和几何尺寸无关 ,管线钢的断裂韧性得到统一。