基于Zencrack的钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报

对钛合金Ti-6Al-4V疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟研究,获得不同保载时间对钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响。利用Abaqus软件建立有限元模型,再利用Zencrack软件对保载-疲劳裂纹扩展过程进行数值模拟,得到不同保载时间下的保载-疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展过程中的前缘形状、应力分布和扩展路径。结果表明:钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率明显高于疲劳裂纹扩展速率,且随着裂纹长度的增加CT试件裂纹尖端的应力值逐渐增加。Zencrack软件数值模拟结果与试验结果吻合较好,说明该软件可用于疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为预报。     

30 mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究

为了提升钛合金的焊接效率和质量,采用电子束焊接方式对30 mm退火态TC4钛合金进行焊接试验,并对焊接接头进行力学性能检测、显微组织分析及残余应力测试,通过扫描电镜对断口形貌进行分析,研究完全退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能。结果表明,接头焊缝区由针状马氏体α′相和分布在原始β晶界的α相组成,接头热影响区由初生α相、针状马氏体α′相以及少量β相组成。EBW接头抗拉强度平均值略高于母材,EBW接头第二层焊缝区及热影响区冲击功均低于母材,同时两种接头断口形貌均发现大量韧窝,为韧性断裂。接头最大残余拉应力值约为150 MPa,在平行和垂直焊接方向,残余拉应力最大值均出现在焊缝上表面附近区域,而残余压应力最大值均出现在焊缝下表面附近区域。     

低温环境下海洋平台管节点的断裂力学分析

从冬季导管架海洋平台服役的工程实际出发 ,分析研究了管节点的低温疲劳裂纹扩展速率 ,给出了管节点表面裂纹扩展的主要控制变量应力强度因子的计算公式。经过对比和计算 ,得出了在 -2 5℃低温环境下管节点da/dN -ΔK关系式中材料参数c和m的具体值 ,为冬季海洋平台管节点剩余疲劳寿命的估算和安全性评估提供了依据。     

TC4钛合金在有机盐完井液中的腐蚀性能

针对钛合金在苛刻油田环境中的适用性,通过模拟腐蚀失重实验以及电化学测试分析,研究了TC4钛合金在高温高压完井液中的抗腐蚀及电化学腐蚀行为。结果表明,在总压为10 MPa,密度为1.4 g/cm³的甲酸钾完井液环境中经过360 h腐蚀,TC4钛合金有较高的腐蚀速率,其抗腐蚀性能较差,在210℃时,腐蚀速率达0.1361 mm/a。TC4钛合金阳极极化曲线均有钝化区,随温度升高,自腐蚀电流密度增大,腐蚀倾向性增大。电化学阻抗谱有明显的容弧特征,电荷转移电阻随温度升高减小很快,钝化膜的保护性减弱,表明TC4钛合金在高温高压甲酸钾完井液中的抗腐蚀性逐渐降低。     

S135钻杆钢扭转疲劳寿命及断裂特征

针对钻杆在循环应力下的疲劳问题,通过室内试验测定了S135钻杆钢的扭转疲劳寿命,得到了扭转疲劳的Δ-τN曲线,应用统计分析方法得到扭转疲劳寿命公式,并采用扫描电镜(SEM)对疲劳断口进行了观察和分析。结果表明,扭转疲劳裂纹形成于光滑试样表面,且疲劳源的大小随切应力幅值的增加而增加;在疲劳源与疲劳裂纹扩展处的微观形貌特征为典型纯滑移型断裂,在裂纹扩展处涟波状花样区域的大小随切应力幅值的增加而增大。     

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。     

TC4钛合金在有机盐完井液中的腐蚀性能

针对钛合金在苛刻油田环境中的适用性，通过模拟腐蚀失重实验以及电化学测试分析，研究了TC4钛合金在高温高压完井液中的抗腐蚀及电化学腐蚀行为。结果表明，在总压为10 MPa，密度为1.4 g/cm3的甲酸钾完井液环境中经过360 h腐蚀，TC4钛合金有较高的腐蚀速率，其抗腐蚀性能较差，在210℃时，腐蚀速率达0.1361 mm/a。TC4钛合金阳极极化曲线均有钝化区，随温度升高，自腐蚀电流密度增大，腐蚀倾向性增大。电化学阻抗谱有明显的容弧特征，电荷转移电阻随温度升高减小很快，钝化膜的保护性减弱，表明TC4钛合金在高温高压甲酸钾完井液中的抗腐蚀性逐渐降低。     

21／4Cr—1Mo复杂应力状态下低周疲劳裂纹扩展规律评价

通过对有预制裂纹带缺口的圆柱形试样的常温、高温低周疲劳裂纹扩展试验,并应用ＮＨＲＤＳ有限元程序进行了缺口附近轴对称问题的循环应力、应变计算,研究了非均匀分布复杂应力状态下低周疲劳裂纹扩展规律。研究表明,２１４Ｃｒ－１Ｍｏ材料复杂应力状态下低周疲劳裂纹扩展速率可以采用当量应力强度因子范围表征。     

X60管线钢疲劳特性的研究

利用2、4和14mm的X60钢紧凑拉伸试样进行同样应力水平、固定应力比（R＝0．1）的疲劳裂纹扩展试验，揭示出高韧性管道钢的疲劳裂纹扩展存在显著的厚度效应。由于应力水平低，相应的离面应力也低，不足以导致分层开裂，因此，裂纹端部的三维应力约束随厚度增加而增大。4mm试样的疲劳裂纹速率远高于2mm试样，但厚度再增大，裂纹扩展速率不再有显著变化。进一步对表面裂纹试样进行疲劳裂纹扩展试验，并用勾线法纪录裂纹扩展情况，利用穿透裂纹的da/dN-ΔK曲线预测表面裂纹扩展，用2mm厚试样的数据控制裂纹表面长度的扩展，用14mm厚试样的数据控制裂纹底部沿厚度方面的扩展，得到了与表面裂纹扩展实验吻合很好的预测结果。     

海洋平台用钢A537与温度相关的疲劳裂纹扩展

用断裂力学研究了常幅载荷作用下A537钢在238K、273K和303K三个不同温度下的疲劳裂纹扩展特性.发现裂纹的扩展速率与试验温度密切相关,其相关关系满足Yokobori公式.试验结果集中在裂纹扩展图上曲线的交点,作为疲劳裂纹扩展的一个临界值,该点意义重大,本文对此进行了详细分析.对不同温度下疲劳裂纹的断口作了宏观和微观分析,发现宏观断口表面与温度密切相关,而微观形貌表现出相同的微空洞聚结的叠波断裂;说明三个温度下均为延性断裂.     

激光焊接参数对1.2 mmTC4钛合金薄板焊缝的影响

为了研究激光焊接参数对钛合金焊缝的影响,对厚度1.2 mm的TC4钛合金板材进行光纤激光焊接。分别采用单因素试验和正交试验研究了不同的激光工艺参数对焊缝形貌及力学性能的影响。单因素试验结果表明:焊缝熔宽随着激光功率的升高大体呈上升趋势,焊缝背宽比随着激光功率的升高先增大然后趋于稳定;焊缝熔宽随着离焦量的增大逐渐减小,当离焦量达到4 mm时,出现未焊透现象;焊缝尺寸随着焊接速度波动变化,当焊速大于1.5 m/min时,焊缝尺寸呈现减小趋势。正交试验结果表明:激光功率对抗拉强度的影响较大;而对于延伸率,相较于激光功率,离焦量和焊接速度对延伸率的影响水平相当。     

110ksi级钛合金油管耐蚀性能研究

针对钛合金在油气井环境下面临的腐蚀问题,通过开展模拟油田腐蚀工况下应力腐蚀及不同温度条件下酸化液中失重试验,同时开展与镍基合金管材的缝隙腐蚀和电偶腐蚀等系列试验,采用扫描电子显微镜、XRD等方法观察试样形貌和腐蚀产物,评价钛合金油管的耐腐蚀性能。结果表明,在苛刻腐蚀工况(溶液介质：5 MPa H₂S+11 MPa CO₂+10%Cl^-)及NACE TM 0177标准A溶液下,采用四点弯曲的试验方法,加载应力为758 MPa,经720 h后试样未发生断裂且无应力腐蚀裂纹,表明该钛合金管材应力腐蚀敏感性较低。在两种浓度为0.1 mol/L的酸化液中,随着试验温度从室温升至160℃,钛合金管材腐蚀速率均逐渐增大,且腐蚀速率在胶凝酸中低于在转向酸中;与镍基合金管材对比,钛合金管材具有更优异的抗点蚀和抗缝隙腐蚀;在模拟苛刻腐蚀工况下,钛合金管材分别与625和825镍基合金偶接后均未出现明显的电偶腐蚀效应导致加速腐蚀现象。     

HFW钢管焊缝疲劳特性与疲劳寿命预测方法研究

受停输启用和供需变动的影响,油气管道的输送压力会发生周期性的变化,疲劳失效问题异常突出.特别是对于含有裂纹缺陷的管道,在疲劳载荷的作用下,若管道的应力强度因子幅超过疲劳裂纹扩展门槛值,裂纹就会发生疲劳扩展.当裂纹扩展到一定程度,超过管道运行压力下所能承受的临界缺陷极限尺寸,管道就会发生疲劳失效,从而影响到管道的使用寿命...     

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.     

隔水管焊缝疲劳损伤检测试验研究

为有效获得隔水管焊缝疲劳损伤过程中裂纹长度以判定其疲劳损伤状态,开展了隔水管用X80管线钢焊缝疲劳损伤磁记忆检测试验研究。疲劳试验过程中使用磁记忆检测传感器采集试样表面磁场切向信号Hx,用光学显微镜测量裂纹长度,用有限元仿真软件得到不同疲劳裂纹长度下试样磁场分布。通过采集试样表面切向磁场信号并提取特征参数,建立了基于磁记忆检测的焊缝疲劳损伤评价方法。试验结果表明:焊缝疲劳失效过程可分为裂纹萌生、裂纹缓慢扩展和裂纹快速扩展至断裂3个阶段;焊缝疲劳裂纹萌生阶段磁场信号主要受试样剩磁场影响;焊缝疲劳裂纹扩展至断裂阶段主要受裂纹缺陷漏磁场影响;切向磁场特征信号与疲劳裂纹长度呈线性增长关系;可通过检测疲劳裂纹周围空气域磁场来判定其疲劳裂纹长度及损伤状态。研究结果可为隔水管焊缝疲劳损伤状态检测及判定提供参考。     

抽油杆杆体表面裂纹应力强度因子的研究

根据断裂力学中的应力强度因子来研究抽油杆杆体部位表面裂纹的变化，从而对抽油杆杆体部位表面裂纹缺陷进行定量评定，并用疲劳裂纹扩展法求应力强度因子，其优点是可以在接近真实裂纹构件的情况下，用试验分析方法研究应力强度因子问题。     

基于疲劳寿命模型的压力容器疲劳分析

含缺陷压力容器的疲劳分析是石油化工行业的一个重要课题,通过分析影响裂纹扩展寿命的多个随机因素及使用疲劳寿命模型,讨论了裂纹尺寸的计算方法。考虑压力容器所承受载荷、材料断裂韧度及裂纹尺寸等参数,使用一次二阶矩法和Monte Carlo法,得出了在一定可靠度下的疲劳裂纹扩展寿命,计算了一定使用寿命时结构的失效概率,比较了不同初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。算例表明,此方法可为含裂纹结构的概率损伤容限评估提供一定的理论依据。     

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。