含内壁斜裂纹压力管道安全状态监测技术研究

发布时间：2020-03-26 12:54

【摘要】：压力管道广泛应用于化工、核能等领域。在压力管道制造和使用过程中,不可避免的会产生缺陷。含缺陷的压力管道在运行过程中存在着安全隐患,当缺陷扩展到一定程度时,管道会发生泄露甚至爆炸。但是在实际生产过程中,如果一旦在压力管道上发现裂纹就更换,既不符合经济性也不能满足连续生产的要求。而且根据断裂力学中合于使用原则,含缺陷的构件在一定条件下也能安全运行。而本文研究的是含有裂纹型缺陷压力管道的安全性以及对裂纹的扩展状态的监测。本文完善了通过测量压力管道裂纹处外表面的应变情况监测内裂纹扩展状况的方法。运用有限元方法对含内表面斜裂纹的压力管道进行建模,计算得到了一定范围内,管道表面最大等效应变与裂纹尺寸的关系式,并通过应变测试实验进行了对比验证;对含裂纹压力管道中应力强度因子的计算是其安全评定中重要的步骤,但是对于斜裂纹国标中并未给出其计算的解析式,给工程实际中的安全评定带来了不便。本文使用有限元方法模拟了斜裂纹尖端的奇异性,计算了不同裂纹尺寸下裂纹前沿的应力强度因子,并换算成了裂纹形状系数。得到了一定范围内,裂纹形状系数与裂纹尺寸的关系式,方便在实际运用中查阅计算。使用有限元方法计算时,首先探究了内表面裂纹管道的建模方法,综合考虑计算时间与计算精度,确定了合适的网格大小,对比现有标准中的算例以及应变测试实验的结果,验证了裂纹模型建立的正确性,为后续的计算提供保障。然后建立了更为复杂的含内表面斜椭圆裂纹管道有限元模型,定义了裂纹偏转角?以及三个无量纲参数,裂纹形状比(6?(8、裂纹深度比(6?和径厚比?来表征裂纹的尺寸。接着经过大量的有限元计算,拟合得到一定条件下上述参数与管道表面最大等效应变、裂纹形状系数的关系式。建立了管道表面应变大小与裂纹危险状况的联系,为含裂纹管道的安全状态监测提供了坚实的理论依据。
【图文】：

爆炸事故,晴隆,青岛,事故

国的能源“大动脉”，长输油气管道已达十余万公着管道材料的老化，环境对管道的腐蚀以及误操作的发生失效，轻则停工检修，给人民带来诸多不便危害着人民群众的生命及财产安全[5-7]。诸如此类年 7 月 2 日上午，位于贵州省黔西南州晴隆县的漏引发燃烧爆炸，事故造成 8 人死亡、35 人受伤续降雨引起的山体滑坡，山体的塌陷导致铺设在被挤断，引发天然气的泄露爆炸；2013 年 11 月 2石化输油管线破裂爆炸共造成 62 人死亡、136 人的局部腐蚀产生了缺陷和管壁减薄，导致管道不破裂泄露。加之现场清污人员的处理不当，才酿成道在核电、石化等行业应用极其广泛。除去上述由造成的管道失效[8]，大部分管道是由于管道缺陷的的工作压力下发生泄露失效。

扩展形式,裂纹,线弹性断裂力学,断裂力学

1.2 线弹性断裂理论不同于常规的强度理论，断裂力学是研究带裂纹构件的强度以及裂纹扩展规律的一门学科。通过描述裂纹扩展驱动力、以及材料对裂纹扩展阻力（断裂韧性），来判断裂纹的扩展情况。对于脆性材料和有较好塑性的材料，断裂力学又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学来分别对其研究。本文主要研究的是线弹性断裂力学中斜裂纹处应力及应力强度因子。1.2.1 裂纹扩展类型裂纹在构件中扩展一般分为三种形式，张开型、滑移型（或同平面剪切型）和撕裂型（或反平面剪切型），，如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH49

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