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。     

X70管道钢在碳酸盐/碳酸氢盐溶液中的疲劳裂纹扩展试验研究

完成了一组X70管道钢预制裂纹试件在碳酸盐/碳酸氢盐溶液中阴极保护条件和3种载荷频率(0.1、1.0、5.0 Hz)下的疲劳裂纹扩展试验。结果表明,在较高的载荷频率下,裂纹的扩展以机械作用为主,高pH值的腐蚀环境的影响不明显;如果载荷频率较低,高pH值环境则会促进裂纹的加速扩展。出乎意料的是,其中有2个试件的裂纹在预裂后停止了扩展,而在裂尖表面出现了蚀坑和开裂,这一现象进一步说明循环载荷可以破坏钝化膜的形成,从而导致表面裂纹萌生。     

钻柱疲劳裂纹形成机理研究

在钻井作业过程中,由于承受多种复杂交变载荷的作用,钻柱疲劳裂纹的产生不可避免。一旦钻柱发生疲劳失效,将带来严重后果和巨大的经济损失。针对这个问题,从滑移成核理论、夹杂物开裂、晶界开裂、位错销毁几个方面,对钻柱疲劳裂纹的形成机理进行了分析。钻柱疲劳裂纹的萌生方式是多种萌生方式共同作用的结果,钻柱所处的复杂工作环境对裂纹的形成和扩展起了很大的促进作用。     

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。     

CNG储气井套管腐蚀疲劳机理研究

在分析CNG加气站储气井套管腐蚀失效现象的基础上,根据CNG加气站储气井的工况,结合国内外研究成果,探讨了该套管腐蚀疲劳失效机理,初步建立了腐蚀疲劳裂纹萌生理论和腐蚀疲劳裂纹扩展理论。以某CNG储气井的封头为例,分析计算了35CrMo材料的临界裂纹尺寸,提出了计算时应该注意的相关问题。     

X60管线钢腐蚀疲劳裂纹扩展特性

研究了不同腐蚀介质中及加载频率下X60管线钢的腐蚀疲劳裂纹扩展特性.在较高的加载频率f=10HZ时,不同腐蚀介质中裂纹扩展具有真腐蚀疲劳特性,并且裂纹的扩展规律可表示为(da/dN)cf=Bcf(△K-△Kthcf)2.腐蚀介质主要影响腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值△Kthcf,而对系数Bcf无显著影响;在较低的加载频率f=1HZ时裂纹扩展呈缓慢增加的平台--具有应力腐蚀特性.文章对建立较为通用的腐蚀疲劳裂纹扩展公式进行了探讨.     

压裂泵虚拟试验连杆疲劳性能研究

压裂泵动力端的连杆在交变载荷的作用下会产生疲劳裂纹,随后裂纹迅速扩展,直至连杆疲劳断裂失效。为了探究裂纹产生的位置及裂纹扩展的过程,进行连杆的3种极限工况的有限元静强度分析,结果表明:在连杆大头盖外圆面和螺栓台面的过渡区有应力集中,并且出现最大Mises 应力。连杆的疲劳分析结果表明:靠近连杆大头的连杆杆身部分、连杆大头盖外圆面和螺栓台面的过渡区是连杆疲劳安全系数最小的位置。裂纹的萌生和扩展都是发生在应力集中的区域,因此连杆在这2处区域萌生裂纹的可能性最大。在靠近连杆大头的连杆杆身部分的过渡区进行裂纹扩展模拟计算,分析了连杆的裂纹扩展规律,预测了连杆的疲劳裂纹寿命,结果表明:当裂纹长度为16.9 mm时,连杆的疲劳裂纹寿命约为8.85×10⁴次。     

钻杆刺穿原因统计分析及预防措施

对某油田2004年钻杆刺穿情况进行了调查研究,得到钻杆内加厚过渡带部位刺穿是钻杆刺穿失效的主要形式。分析认为,大多数钻杆内加厚过渡带刺穿裂纹起源于钻杆内壁,其刺穿机理和过程为,钻杆内壁腐蚀或者涂层破坏后腐蚀→形成腐蚀坑→腐蚀坑底产生腐蚀疲劳裂纹→裂纹扩展→刺穿或断裂。钻杆从内加厚过渡带部位刺穿的原因与钻杆内加厚结构尺寸、材质抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力有关,同时也与井身质量、井身结构和转盘旋转速度有关。为防止或减少深井和超深井油田钻杆刺穿事故提出了预防措施。     

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。     

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。     

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。     

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。     

薄壁球形容器内表面裂纹应力强度因子的研究

本文提出一种薄壁球形容器内表面裂纹的定义方法;研究了球壳和带有错边或角变形几何缺陷的球壳内表面裂纹尖端应力强度因子随裂纹形状、深度、壁率和沿裂纹前沿变化的规律,裂纹扩展的规律;在与目前常用的平板解作比较的基础上,研究了曲率及几何缺陷对应力强度因子的影响,并提出了一种曲率修正系数的经验计算式.     

多裂纹对裂纹搭接规律影响数值模拟及机理研究

为研究多裂隙的损伤断裂规律,基于统计损伤理论,建立了含不同密度及倾角的多裂隙模型,对多裂隙的裂纹扩展过程、应力-应变规律进行了数值模拟,讨论了拉伸裂纹产生机理、多裂纹的临界长度,并基于声发射数值模拟结果说明了裂纹的损伤过程,结果表明,拉伸裂纹在预制裂纹尖端及靠近尖端产生,剪切裂纹产生于裂纹中部,靠近模型边界的预制裂纹存在“边界效应”;不同裂纹密度模型的峰值强度分别降低4.3%、4.7%及18.8%,不同裂隙角度的增大对模型峰值强度提供的百分比分别为13.2%,45.2%及61.9%,裂隙角度对模型峰值强度的影响要大于裂纹密度;讨论了单裂隙拉伸裂纹的产生机理,对多裂隙拉伸裂纹相互贯通的临界裂纹长度进行了推导。     

含直裂纹管道局部柔度系数的理论研究

针对缺乏完善的求解空心圆柱裂纹结构局部柔度方法和理论的现状,从线弹性断裂力学理论出发,研究了管类结构贯穿和非贯穿2种直裂纹形式局部柔度系数的推导以及求解方法,并验证了应用适应性Simpson数值积分方法进行局部柔度方程求解的有效性。验证结果表明,数值积分程序计算的结果与文献[5]的结果吻合,与文献[4]中的试验值较为相近。在裂纹单元中考虑剪力的双重效应所建立的局部柔度方程更加符合实际;在同样的裂纹深度条件下,考虑单元内裂纹位置的影响,计算精度高,更加适合裂纹管的振动分析和裂纹识别。     

管线断裂控制参量的研究

回顾了管线裂纹上裂预测方法，指出近年来随管线钢管材料特性的变化，材料强度及韧性的提高，采用已有止裂预测公式偏于危险。并通过对几种断裂控制参量如夏比冲击功，裂纹尖端张开位移，落锤撕裂实验和上裂韧性的测量分析，表明DWTT当量Cv方法，M=Cv^1/2/YS参数法，Leis修正法可以不同程度的修正这种偏离，使预测值更接近实测值，从而大大提高了对管线裂纹上裂预测的准确性。     

螺旋埋弧焊管常见焊接裂纹的分析

简述了焊接裂纹的分类及形态分布。对螺旋埋弧焊管焊接过程中出现的结晶裂纹和延迟裂纹的产生原因、形成机理、影响因素、防治措施等进行了分析阐述,同时提出了相应的解决措施。     

用微地震法监测压裂裂缝转向过程

应用微地震法，全程监测松辽盆地朝阳沟油田3口井、7个层(次)的压裂施工过程，监测结果与油田生产动态相符，取得了成功。监测中发现了有代表性的3种形式的裂缝转向机制：①对于不同因素控制的不同走向的两条裂缝，分别压开转向效果最明显；②对于同一因素控制下的裂缝，尽管初裂缝走向不同，但裂缝在延伸过程中仍转回原来的方向，由于起点不同，二者只是平行，并不一定重合；③同一因素控制下的裂缝也可能出现小角度转向，由于偏离的方向小，受到的转回原来方向的约束力也小，可以出现较长的、不同走向新缝。其中，以压开不同控制因素下的两条裂缝效果最好。总结监测结果，得出判定裂缝发生转向的3个标准：①监测到的裂缝走向、形态不同；②第二次压裂的破裂压力应比第一次压裂的破裂压力显著升高；③新裂缝与原来的裂缝不是同一条缝，观测到的裂缝高度也会有所差别。这些标准与实际情况十分吻合。图4表2参5     

基于裂纹尖端张开角的Battelle双曲线模型修正

天然气管道止裂控制的核心是管道止裂韧性的预测,对于强度高、韧性好的高钢级管道,传统基于夏比冲击韧性的Battelle双曲线模型(BTCM)已不再适用,亟待基于新的断裂参数建立相应止裂控制准则。针对这一问题,选取具有广泛应用前景的裂纹尖端张开角(λ_CTOA)作为止裂韧性参数对BTCM进行修正。根据管道裂纹扩展过程受临界λ_CTOA控制的基本事实,由能量平衡理论建立了基于临界λ_CTOA的管道止裂压力求解模型。借助管道裂纹动态扩展数值模拟方法,通过大量计算讨论了不同止裂韧性临界λ_CTOA下裂纹前缘压力与裂纹扩展速度之间的关系。基于上述结果数据对BTCM进行修正,形成了基于临界λ_CTOA的双曲线模型(CBTCM)。将不同模型止裂压力与裂纹扩展速度预测结果对比可知,CBTCM模型有望解决传统模型预测结果偏于危险的问题,为高钢级管道止裂控制提供了全新参考。