IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
长输油气管线环焊缝与母材断裂行为研究
Alternative TitleStudy on Fracture Behaviour of Girth Weld and Parent Metal in Long-Distance Oil and Gas Pipeline
刘霞
Thesis Advisor戴兰宏
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Abstract长输油气管线通过焊接方式连接而成,环焊缝破坏了结构完整性,是管道服役安全的薄弱环节。为了保证管道安全运营,传统管线设计要求环焊缝强度高于母材,且焊接接头冲击韧性指标根据工程经验制定而成,缺乏理论依据。因此,管线钢环焊缝与母材断裂行为的研究是保证管道建设安全性与经济性,推动高等级管线钢应用发展的首要问题。本文围绕长输油气管线环焊缝与母材断裂行为这一问题开展了深入研究。 利用有限元数值计算方法研究X70管线钢管道多道焊焊接残余应力分布的影响,并将数值计算结果与盲孔法所测试结果进行对比,检验有限元数值模型的可靠性。有限元数值计算结果表明,随着管道壁厚增加,残余应力沿着焊接中心线处的分布振荡加剧,残余应力分布更加复杂;与环向残余应力相比,轴向残余应力分量较小。 以环焊缝中含有环向内表面裂纹的管道为研究对象,考察了管道所含裂纹长度、裂纹深度、管道径厚比、管线钢材料、双轴载荷、环焊缝与母材强度失配、焊接残余应力对管道裂纹扩展驱动力的影响规律。研究发现,裂纹深度对裂纹扩展驱动力有重要影响;对于受压和拉伸双轴载荷的管道,内压对J积分随着所受Mises应力σe/σ0演化规律的影响复杂;与等强匹配相比,环焊缝强度低于母材低强时,裂纹扩展驱动力显著增加;轴向焊接残余应力使得管道裂纹扩展驱动力升高。定量表征了这些影响因素对裂纹扩展驱动力的影响,为管道环焊缝断裂韧度设计提供指导。 利用材料微观断裂损伤模型,分析了预制疲劳裂纹的夏比试样在冲击载荷及准静态载荷下的裂纹扩展行为,研究材料应变硬化指数、应变率敏感性、孔洞初始体积分数对其裂纹扩展的影响。数值计算结果表明,韧性断裂模式下,对于率相关材料,夏比冲击试样动态断裂阻力曲线高于准静态条件下的。结合材料断裂模型和有限元数值模拟计算结果,提出了夏比冲击试样韧性断裂过程中,静动态J-R阻力曲线关联规律的理论模型,并利用实验数据验证所提出理论模型的可靠性。 基于材料韧性微观断裂机理,建立了考虑约束效应的J-R阻力曲线理论模型。该理论模型引入了一个依赖于裂纹尖端约束状态的参数φ。一旦利用有限元方法数值计算得到参数φ,根据所提出的理论模型,就能够将小尺寸高约束试验所测J-R阻力曲线转化到工程实际构件中。通过对不同尺寸、构型、加载方式试样的实验数据进行对比,检验所提出理论模型的有效性。
Call Number31232
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55072
Collection非线性力学国家重点实验室
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GB/T 7714
刘霞. 长输油气管线环焊缝与母材断裂行为研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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