高压容器泄漏中发生的焦耳-汤姆逊效应研究

压缩天然气的海上运输技术由于其经济效益而即将走向商业化。在运输船上的压强高达25 MPa的压力容器是其设计的重点。破前漏准则是维护压力容器完整性的一个重要方法。然而,在压力容器泄漏中发生的焦耳-汤姆逊效应所导致的裂纹周围金属温度的降温可能会影响到破前漏准则的有效性。对在压力容器的泄漏中发生的焦耳-汤姆逊效应做了相关的试验研究。因氩气不易燃烧且具有与甲烷相似的焦耳-汤姆逊系数而被选作试验气体。设计一个全新的用于压力容器泄漏试验的焦耳-汤姆逊测试系统。根据美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)锅炉和压力容器规范设计和加工一个试验用的压力容器。采用液氮断裂方法在一块测试板上制作一个与自然裂纹相似的贯穿裂纹。在30℃的环境温度和9.1 MPa的最大内部压强下,测试板外表面沿裂纹方向测得的最低温度是12.5℃,沿裂纹对角线方向测得的最低温度是7.9℃,裂纹出口处得到的氩气的温度是-9.2℃;测试板内表面沿裂纹方向测得的最低温度是15℃,容器内部裂纹附近测得的氩气的温度是-7.1℃。试验结果表明,在整个测试过程中,测试板内外表面的温度沿裂纹不同方向的变化趋势基本上一致。     

超高压水晶釜破坏事故中出现的问题与防止措施

超高压水晶釜是用于生产高质量压电水晶和光学水晶的超高压容器。它的设计压力在100～200MPa,设计温度在350～400℃,工作介质是1.0～1.2N的NaOH溶液。因此,高温、高压并有高浓度腐蚀介质,又是承受高应力低频度重复载荷(连续运行周期60天左右,期望寿命15年以上)。容器面临着静压强度失效、高应力疲劳失效、高应力腐蚀失效以及各项条件联合作用下的裂纹扩展和穿透的断裂失效。该釜的设计、制造和检测是一项高技术。稍有失误,轻则先漏后破,重则釜体爆破,具有很大破坏性。本文就预防水晶釜的破坏事故提出问题与措施。     

扁平绕带容器基于爆破失效准则的可靠性设计

鉴于扁平绕带容器的爆破压力不受钢带层间贴合质量和预应力大小的影响，文中提出了采用爆破失效准则设计该型容器的观点，并导出设计计算公式，只要爆破安全系数不小于２．５，其爆破失将要率可低于１０＾－１０．     

钢制薄壁内压容器的压力试验超压限制系数

基于钢制薄壁内压容器模糊静强度可靠度的信息熵分析,对其在最苛刻压力试验时的超压限制系数进行研究,导出该系数的理论计算公式。如果要求钢制薄壁内压容器屈服强度的模糊可靠度在最苛刻气压与液压试验时分别为0.97260与0.7925,爆破强度的模糊可靠度在最苛刻气压与液压试验时分别为0.99999999140与0.999990226;则研究表明:(1)钢制薄壁内压圆筒在气压与液压试验时的超压限制系数在屈服失效准则下应分别不大于0.800与0.900,在爆破失效准则下应分别不大于0.640与0.719。(2)钢制薄壁内压球壳在气压与液压试验时的超压限制系数在屈服失效准则下应分别不大于0.848与0.943,在爆破失效准则下应分别不大于0.581与0.680。(3)扁平绕带容器在气压与液压试验时的超压限制系数在屈服失效准则下应分别不大于0.858与0.971,在爆破失效准则下应分别不大于0.538与0.658。     

φ480高压球形容器塑性大应变应力分析及研究

本文在测试、爆破试验的基础上,运用轴对称结构塑性大变形问题的有限元法计算程序,研究带接管球壳承压后在接管部位的应力值、最大应力点的位置以及应力集中系数;采用Mises准则计算接管部位的局部屈服应力、接管部位和球壳的全面屈服压力;研究了接管部位和球壳的塑性区扩展情况、弹塑性和塑性阶段的应力分布和应力集中系数。本文还分析了容器的爆破试验和电算理论应力结果,探讨了受内压容器的破坏失效机理及爆破压力的计算方法。     

滚动接触下裂纹充液行为研究

为研究液体渗入裂纹后裂纹的演变过程，建立了滚动接触圆盘-平面裂纹充液二维模型。裂纹表面与圆盘-平面接触面组成腔体结构，圆盘的运动使裂纹表面发生变形、腔体体积减小从而导致腔体内压力增大，最终表面裂纹在腔体高压作用下加速扩展。基于表面裂纹接触状态的变化，研究腔体形成、密封和泄漏三个阶段裂纹应力强度因子曲线及扩展方向的演变。结果表明，腔体内部压力小于裂口接触位置最大压力，液体增压效应随裂纹几何尺寸的增加显著增强，增加裂纹长度与裂口宽度使裂纹扩展模式从Ⅱ型转为Ⅰ型；随着裂纹扩展，腔体内部的液体泄漏使腔体产生动态自密封-泄漏现象。     

AP1000核电厂反应堆冷却剂压力边界泄漏及其探测研究

AP1000核电厂反应堆冷却剂压力边界相对于传统压水堆有所简化,完整性比传统设计更加可靠,但由于采用了先漏后破技术,屏蔽电机主泵、无引漏压力边界隔离阀、无泄漏爆破阀等设备,以及与非能动专设安全设施的接口所带来的压力边界组成差异,使得AP1000反应堆冷却剂压力边界的泄漏及其探测手段相对于传统压水堆有所不同。本文总结了AP1000反应堆冷却剂压力边界泄漏及其探测手段的特点,分析了其与美国管理导则RG 1.45的符合性,并提出了合理化建议。     

压力容器表面缺陷安全评定的试验研究

本文概述了带表面缺陷的压力容器断裂疲劳试验研究的目的、内容、程序、方法和结果。结论认为:对于中低强度钢的内压圆筒容器,其破坏和断裂均符合流变限准则。有裂纹的压力容器的破坏型式并非都是脆性断裂;对于整体园简或气瓶,其表面裂纹的破坏有快速爆破和泄漏两种方式;表面裂纹a向和c向的疲劳扩展规律也都符合Paris公式;推荐了一种等K换算关系式和等K换算曲线,可供制订国内标准时参考采用。     

复合型裂纹扩展的有效应力准则

利用弹塑性理论中的有效应力概念,将裂纹体的复杂应力状态与单轴拉伸应力状态相联系;并考虑金属材料的裂纹扩展不可避免地伴随着裂纹尖端附近的局部塑性变形,裂纹总是沿最短路径穿过塑性区向弹性区扩展,因此裂纹尖端弹塑性区边界至裂纹尖端的最短路径,将决定裂纹扩展方向.在此基础上导出复合型裂纹扩展的有效应力准则.     

某燃气站场弯头泄漏原因分析

在某燃气站场投产前的试压过程中,发现一处弯头外弧侧管体出现纵向裂纹,导致试压泄漏。通过力学性能检验、组织分析、扫描电镜分析及能谱分析,讨论了该弯头失效原因。分析结果表明,弯头中的疏松缺陷是造成弯头开裂的主要原因。其中,弯头中的疏松缺陷起源于原材料在冶炼过程中存在的夹渣,因后续工艺未能及时发现和清除,在弯头成型过程中裂纹缺陷恶化,因此在很小水压强度试验压力下裂纹起源于弯头内表面,主裂纹沿晶界间疏松缺陷向心部开裂扩展,主裂纹两侧及尖端周围有沿晶开裂二次裂纹,最终部分裂纹贯穿整个壁厚,发生了泄漏事故。     

内部爆炸加载条件下圆柱钢壳的动态断裂

在内部爆炸冲击波载荷作用下,爆炸容器的动态断裂是进行爆炸容器安全评估和失效分析的基础。为了研究爆炸容器的动态断裂特征,进行圆柱钢壳在中心装药的爆炸加载实验,采用非线性动力有限元分析程序LS-DYNA分析圆柱钢壳的弹塑性动力响应,研究圆柱钢壳的宏观变形和断口的宏观、细观形貌,分析圆柱钢壳的断裂模式及断裂机理。结果表明,圆柱钢壳纵向断口具有微孔聚集型剪切韧窝断裂特征,呈现出微孔聚集型剪切韧性断裂模式。内部爆炸冲击波加载下圆柱钢壳因径向膨胀发生动态塑性变形,产生剪切带,由于剪切带的软化效应而成为优先断裂通道,剪切带和环向拉应力的共同作用是形成微孔聚集型剪切韧窝断裂这种混合韧性断裂模式的原因。     

基于API579—1／ASMEFFS-1的爆炸容器FAD评定方法

提出了爆炸容器FAD全过程评定方法,建立了含穿透裂纹的圆柱形爆炸容器计算模型,分析了其在三角波载荷作用下的动力响应,利用虚裂纹闭合技术计算了应力强度因子的动力响应特性,结果表明：爆炸容器的FAD评定方法可以有效区分冲量相同而峰值不同的冲击载荷的影响,峰值越大,载荷作用时间越短,容器评定结果越危险;采用传统等效静载荷法进行工程设计,具有较大的安全裕度;同时发现,FAD评定能有效地识别尺寸效应的后果,因此该方法对动载荷下的容器评定尤为有效。     

内压圆筒中表面裂纹蠕变扩展的数值分析

金属蠕变的研究逐渐趋向对含缺陷材料与结构进行探讨,但针对金属构件表面裂纹蠕变扩展特性的研究仍然有限。基于三维有限元方法,对高温内压下含轴向表面裂纹的低合金Cr-Mo钢圆筒进行研究。有限元计算得到的应力强度因子K和蠕变裂纹驱动力参量C*积分与前人的研究进行比较,提出一种基于软件ABAQUS的步步分析方法来描述蠕变裂纹的扩展行为。最后,通过对若干不同初始形状裂纹的研究,得到四种不同初始形状的表面裂纹的形貌变化特性,以及裂纹深度、裂纹长度、C*积分和剩余寿命的变化规律。     

Monte-Carlo法计算含缺陷油气输送管线的失效概率

利用Monte-Carlo方法全面分析了裂纹深度、裂纹深长比、断裂韧度、屈服强度和输送压力等主要随机参数对含裂纹长输油气管线结构的失效概率的影响。利用故障树分析中的参数敏感性方法确定了随机参数的敏感性。计算结果表明,断裂韧度和裂纹深度对结构的失效概率影响较大,裂纹深长比对结构的失效概率也有重要影响。此外,还分析了焊接接头在不同的裂纹深度下,强度匹配对失效概率的影响,并还给出了管线在不同的失效模式下的年失效概率。     

高压气瓶母材、焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展速率实验研究

通过高压气瓶母材、焊缝和热影响区的疲劳裂纹扩展实验 ,研究了高压气瓶的断裂薄弱环节以及薄弱环节的疲劳裂纹扩展速率 ,并用蒙特卡罗法模拟疲劳裂纹扩展速率的分散性 ,给出了疲劳裂纹扩展速率及其分布区间。     

直升机金属动部件的寿命管理

针对某型直升机动部件承受高频低幅振动载荷的特点,探讨安全寿命和损伤容限相结合的寿命控制方法。以直升机的金属主桨叶为例,采用飞行空测载荷数据编制的实测统计载荷谱,通过Miner线性累积损伤理论计算得到裂纹形成寿命与风险率的关系。同时考虑裂纹扩展寿命对降低风险率的贡献,通过断裂力学分析计算出应力强度因子、损伤容限临界裂纹尺寸,建立主桨叶损伤容限分析的工程计算模型,得到裂纹扩展寿命(检查周期)与风险率的关系。     

带有微动磨损缺口钢丝的疲劳特性

在自制的微动磨损试验机上进行钢丝的微动磨损试验,将微动磨损后的钢丝试样在液压伺服疲劳试验机上进行不同应力比和不同应力幅下的疲劳试验。结果表明,钢丝的微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而增加,磨损缺口处的应力集中使其成为了裂纹萌生源,也使钢丝试样的疲劳寿命大大降低,微动磨损后钢丝试样的疲劳寿命和磨损深度呈反比关系。通过钢丝疲劳断口的SEM形貌分析了其疲劳断裂机制,断口对应不同的疲劳阶段,可分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区。     

40Cr钢法兰焊接接头断裂原因分析

通过宏观观察、金相分析和化学成分分析等方法,对40Cr钢法兰焊接接头的断裂原因进行了分析。结果表明,40Cr钢法兰焊接接头存在根部裂纹、焊趾裂纹、未熔合和未焊透等焊接缺陷,在应力的作用下,根部裂纹发生扩展,造成接头在使用过程中发生断裂。焊接工艺及操作不当导致法兰焊接接头产生根部裂纹,是其发生早期断裂的主要原因,并对焊接工艺提出了改进建议。     

随机振动环境下结构的疲劳失效分析

讨论了随机振动响应的统计特性分析、结构响应的动应力与常规疲劳载荷的关 系,如何将结构响应动应力等价为常规的静力疲劳载荷,利用Ｓ－Ｎ曲线和名义应 力法对结构寿命的估算方法等。完成了用功率谱密度表示的随机振动载荷作用下悬 臂板结构的响应分析以及疲劳寿命估计。     

40Cr钢汽车半轴断裂失效分析

通过宏观分析、显微组织和断口形貌观察以及硬度测试等方法对40Cr钢汽车芈轴的断裂原因进行了分析.结果表明:汽车半轴断裂的主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱碳层,在高的扭转疲劳剪切应力作用下形成裂纹源;40Cr钢含有较多的大尺寸非金属夹杂物,另外热处理工艺不当,造成材料综合力学性能迭不到要求,使表面萌生的裂纹在应力作用下迅速扩展,造成汽车半轴发生疲劳断裂.