国产成人嫩模一区二区,成人黄色小视频在线观看,国产成人夜夜嗨精品视频,成人无码A级毛片免费

1.2  鋼制輸氣管道的長程裂紋擴(kuò)展

1.2.1  壓力管道上的災(zāi)難性事故

裂紋的快速擴(kuò)展是結(jié)構(gòu)最危險的一種失效形式戏阅，若不能及時抑制麻顶，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重事故评凝。許多工程事故的起因是管道開裂后谤逼，流體釋放導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展单雾。除石油天然氣輸送管道以外跋擅，這樣的實例還有：核反應(yīng)堆管道系統(tǒng)普晌、飛機(jī)機(jī)身、低溫冷藏儲箱晌姚、火箭發(fā)動機(jī)外殼粤剧、海洋石油平臺等。對該問題的研究被認(rèn)為是防災(zāi)減災(zāi)的生命線工程挥唠，是斷裂動力學(xué)研究領(lǐng)域中最重要的課題之一抵恋。

由于缺陷持續(xù)擴(kuò)展而導(dǎo)致管線開裂是高壓輸氣管線區(qū)別于輸送液體（如石油）管線的特有破壞形式。高壓輸氣管線上可能發(fā)生長距離的斷裂擴(kuò)展宝磨，而輸送液態(tài)物質(zhì)的管線上一般是發(fā)生泄漏或僅開裂數(shù)英尺馋记。這種不同斷裂特征的原因在于氣體和液體具有不同的減壓特性。

輸氣管線的開裂使高壓輸送介質(zhì)放空懊烤，在斷裂源兩側(cè)各產(chǎn)生一個減壓波向遠(yuǎn)端擴(kuò)展，減壓波速度的極限值為聲波在介質(zhì)中的傳播速度宽堆。在液體介質(zhì)中腌紧，聲波的傳播速度相當(dāng)于其在氣體中的傳播速度數(shù)倍以上，因而減壓波速超前于裂紋的擴(kuò)展速度畜隶，斷裂擴(kuò)展在短時間內(nèi)被有效抑止：而在氣體介質(zhì)中壁肋，減壓波速較液體中慢，往往會低于管體上發(fā)生的裂紋擴(kuò)展速度籽慢。在這種條件下逊汤，斷裂得以持續(xù)擴(kuò)展崎亚。由于這種斷裂是在動載荷的推動力作用下高速擴(kuò)展的，因而被命名為動態(tài)斷裂擴(kuò)展（Dynamic Fracture Propagation）啥榜。

輸氣管線的爆裂失效給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失涉炒，甚至人員傷亡。最慘烈的一次是1989年前蘇聯(lián)烏拉爾山發(fā)生的輸氣管爆裂事故掏博，死傷1024人殃玻。五十年前首次發(fā)現(xiàn)的輸氣管道裂紋迅速擴(kuò)展就已經(jīng)達(dá)到了10⁴m的量級。通過改善工藝伊肿，加強(qiáng)檢測肆鸿，降低鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等辦法，脆性斷裂逐漸被遏止炒耀，但延性斷裂的危害仍不可忽視瞳聊。1969年發(fā)生在美國的動態(tài)延性斷裂事故，其裂紋擴(kuò)展長達(dá)260m名密，當(dāng)時的管徑為914mm藏估，壁厚9.5mm，鋼材等級為X65阁吝。美國的BMI(Battelle Memorial Institute）研究的最長的延性斷裂擴(kuò)展為約568m砚婆。

圖1-4為高壓輸氣管線開裂事故現(xiàn)場

1.2.2  西氣東輸管道的斷裂控制

西氣東輸管道的以下特點增加了管道斷裂控制的難度：

管道線路長，西氣東輸管線長達(dá)4000多公里突勇，沿途地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜装盯，要通過活動斷層帶和高烈度（7°～8°）的地震區(qū)，穿越或跨越黃河和長江4次甲馋。

地區(qū)溫差大（+40℃到一40℃）埂奈，晝夜溫差大，季節(jié)溫差大定躏。

輸氣壓力高账磺。目前我國現(xiàn)有輸氣管線壓力最高為6.4MPa，俄羅斯實際運營的輸氣干線最高為7.5MPa痊远，而西氣東輸管道的計劃輸氣壓力為10MPa垮抗。高壓輸送可以節(jié)省投資和運營費用，但同時也提高了對管道斷裂控制的要求和標(biāo)準(zhǔn)碧聪。

最大限度保障“西氣東輸”管線的安全可靠性冒版，防止管道開裂并做好管道開裂后的防護(hù)工作，阻止裂紋持續(xù)擴(kuò)展伐页，杜絕惡性事故侈敏，具有十分重要的意義。

1.2.3  裂紋的成因

在鋼管軋制养砾、焊接和鋪設(shè)的過程中嫩视，都有可能產(chǎn)生人為缺陷并被帶入到建成的輸送管線當(dāng)中夏岩。隨著工藝水平的提高，明顯的缺陷已基本杜絕豪荧，但由于承受外力而導(dǎo)致的缺陷矩粒，其中包括機(jī)械損傷和在受力狀態(tài)下形核并長大的缺陷都可能會在管線工作過程中擴(kuò)展并導(dǎo)致起裂。這些缺陷的尖端可以是鈍角（如由于化學(xué)腐蝕形成的缺陷）筝仓，也可以是銳角（如由于應(yīng)力腐蝕或氫脆而形成的）数截。此外，還有由于外力形成的壓痕趾双，缺陷以半透孔（Part-Through-Wa11）的形式擴(kuò)展俗退。

各種缺陷依照管線鋼的類型和工作條件，呈現(xiàn)出三種形態(tài)：

第一類是在管線工作狀態(tài)不活躍的缺陷甜殖；

第二類是在管線工作狀態(tài)緩慢生長满葛，但因為未形成貫穿（Through-Wall）而仍保持良性的缺陷；

第三類是在管線工作狀態(tài)下生長并貫穿管壁的缺陷罢屈。

第三類缺陷在管線工作狀態(tài)下以亞臨界擴(kuò)展的形式增長嘀韧，從半透孔（PTW)發(fā)展到貫穿（TW）而導(dǎo)致管線泄漏。它還包括缺陷穿透管壁后變?yōu)椴环�(wěn)定擴(kuò)展而導(dǎo)致管道開裂的情形缠捌。此類缺陷導(dǎo)致了高壓輸氣管線的開裂锄贷，斷裂從缺陷開始沿管線向兩個方向擴(kuò)展。

據(jù)對管道工業(yè)較為發(fā)達(dá)的歐洲曼月、前蘇聯(lián)谊却、美國和加拿大的輸氣管道失效事故的調(diào)查分析，國外輸氣管道失效的主要原因是機(jī)械損傷哑芹、腐蝕以及焊接和材料缺陷炎辨，以及其它不可預(yù)見因素（third party damage）。機(jī)械損傷是造成歐美天然氣管道失效的主要原因聪姿，在加拿大和前蘇聯(lián)腐蝕是管道失效的主要原因碴萧。其中大部分機(jī)械損傷是由人為因素造成的，可通過采取規(guī)范管理末购、加強(qiáng)巡查等措施來減少或避免勤消；腐蝕問題日益受到各個國家的重視；焊接和材料缺陷引起的失效事故逐漸減少壕俱。然而父系，不可預(yù)見因素引起的管道起裂是防不勝防的，因此虫棕，人們始終關(guān)注起裂后如何防止裂紋迅速擴(kuò)展。

1.2.4  鋼制輸氣管道的失效機(jī)理與預(yù)防措施

長距離鋼制輸氣管道的失效模式可分為動態(tài)脆性斷裂DBF(Dynamic Brittle Fracture）和動態(tài)延性斷裂DDF(Dynaxnic Ductile Fracture）梦啊。從產(chǎn)生原因和預(yù)防手段上看车榆，動態(tài)延性斷裂是西氣東輸工程研究的重點厌留。本小節(jié)對兩種斷裂形式作如下比較：

動態(tài)脆性斷裂的主要特征有：

●斷口為平斷口，塑性區(qū)尺寸很小耙钉，裂紋源往往在低韌性囊像、多焊接缺陷的焊縫部位；

●裂紋形狀為波形卡竣，往往為多分枝禾门，剪切面積越小，分枝越多蝴韭；

●源區(qū)多呈放射狀够颠，擴(kuò)展區(qū)具有人字花樣；

●斷口特征以解理斷裂為主榄鉴；

●開裂速度較快履磨，開裂的速度決定于管材的斷面韌脆比；

●一般與材料韌性低庆尘、韌脆轉(zhuǎn)變溫度高或在低溫下使用有關(guān)剃诅；

●脆性斷裂的驅(qū)動力來自管壁金屬中的彈性應(yīng)變能。

動態(tài)脆性斷裂的預(yù)防措施主要有：

提高焊縫和母材的韌性驶忌，使管道材料的韌一脆轉(zhuǎn)變溫度低于管道的工作溫度矛辕，同時控制焊接缺陷及管體損傷和腐蝕等。

動態(tài)延性斷裂的主要特征有：

●失效部位宏觀塑性變形較大付魔；

●裂紋擴(kuò)展主要以韌性方式進(jìn)行聊品，斷口上有明顯的撕裂和剪切特征：

●延性斷裂擴(kuò)展的方向一般沿管道的軸線；

●延性斷裂止裂時抒抬，裂紋通常由軸向先向45°方向偏斜杨刨，然后迅速停止；

●延性斷裂的擴(kuò)展速度與裂紋尖端處的壓力有關(guān)擦剑，還與材料的韌性吊冬、流動應(yīng)力及是否有回填土等因索有關(guān)；

●延性斷裂的驅(qū)動力一方面來自管壁金屬中的彈性應(yīng)變能婉涌，另一方面更主要的來自外泄氣體通過鼓脹作用給已破裂量伏、翻開的管壁的能量。

動態(tài)延性斷裂的預(yù)防措施主要有：提高管材韌性夏坝。一些研究機(jī)構(gòu)提出預(yù)測管道在特定條件下止裂韌性的經(jīng)驗公式畴贵，如Battlle、Mannesm花脐。幅秉、EPRG、BG戚吕、ANSI等渠跷，但是袄洁，由于可壓縮的高壓氣體潛在驅(qū)動管道裂紋擴(kuò)展的極高危險性，對于高壓管道止裂韌性的研究仍在進(jìn)行之中收罢。

1.2.5  管道裂紋動態(tài)擴(kuò)展與止裂的技術(shù)難點

從前面的起裂研究中可以看出晤泌，壓力管道上的缺陷和微裂紋的形成原因十分復(fù)雜，且大多是不確定因素耕姊。要達(dá)到完全消除裂紋擴(kuò)展的可能性桶唐，有時是困難的，有時要在經(jīng)濟(jì)上付出代價：降低設(shè)計負(fù)荷茉兰，增大構(gòu)件尺寸尤泽，或選用高成本材料等等。

對于載荷或工作環(huán)境十分復(fù)雜邦邦，又無法實施經(jīng)常性的裂紋有效監(jiān)測安吁，因而難以有效控制起裂過程的重要結(jié)構(gòu)，裂紋擴(kuò)展和止裂的研究的意義在于尋找避免裂紋擴(kuò)展機(jī)理燃辖，以建立防止災(zāi)難性破壞的第二道防線鬼店，是十分必要的。

裂紋動態(tài)擴(kuò)展與止裂問題涉及的是流體／結(jié)構(gòu)／斷裂相互作用又相互影響的過程黔龟，如圖1-5所示妇智。流體／結(jié)構(gòu)／斷裂耦合作用下的動態(tài)裂紋擴(kuò)展包括計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)和斷裂力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的綜合:

●流體壓力作用于包含裂紋的結(jié)構(gòu)氏身，產(chǎn)生裂紋驅(qū)動力巍棱；

●結(jié)構(gòu)開裂導(dǎo)致內(nèi)部流體迅速溢出；

●裂紋擴(kuò)展形成結(jié)構(gòu)上移動的邊界條件爱亡。

與起裂問題不同穴你，裂紋尺寸這時是一個隨時間變化的未知函數(shù)。擴(kuò)展裂紋形成了結(jié)構(gòu)的位移邊界條件泊铸，使得控制方程和運動邊界條件均為非線性乓收。目前僅有少量的解析解可以用來分析裂紋擴(kuò)展問題，而且還是對材料性能者侄，載荷愧棋，裂紋幾何和運動狀態(tài)做了諸多特殊假定之后，與具體實際問題相去甚遠(yuǎn)亮哑。

本文以斷裂動力學(xué)和計算流體力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)罗和，立足于數(shù)值求解，通過與實驗結(jié)果相結(jié)合核狰，對壓力管道動態(tài)裂紋擴(kuò)展機(jī)理和止裂技術(shù)進(jìn)行了分析功哮、綜合和創(chuàng)新。在研究過程中，發(fā)展了一套針對高延性高壓鋼制輸氣管道的理論援奢、數(shù)值分析和實驗研究方法耙旦，同時解決了西氣東輸管線的可靠性評估問題，對其他工程領(lǐng)域的壓力管道問題具有一定的借鑒意義萝究。

1.3  管道動態(tài)斷裂研究綜述

1.3.1  管道斷裂動力學(xué)進(jìn)展

作為保持結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵性算法，斷裂動力學(xué)提供了分析快速擴(kuò)展裂紋的途徑锉罐。當(dāng)不穩(wěn)定裂紋的起因難以控制或大幅度裂紋擴(kuò)展會導(dǎo)致災(zāi)難性后果時帆竹，動態(tài)裂紋擴(kuò)展的分析顯得更為重要，其目的是保證裂紋驅(qū)動力（Crack driving force）小于管道材料的斷裂韌性（Fracture toughness)脓规，使由于非確定因素引起的微裂紋不至于迅速擴(kuò)展栽连，從而使破壞程度限于盡可能小的局部范圍。

本文研究的重點將集中于如圖1-6的貯氣輸氣管線縱向裂紋擴(kuò)展問題侨舆。針對這一問題秒紧，20世紀(jì)80年代末美國西南研究院（Southwest Research Institute,Texas)的M.F.Kanninen,O'Donoghue等人提出了輸氣管道縱向裂紋擴(kuò)展問題的計算模型，將裂紋擴(kuò)展的斷裂動力學(xué)算法同殼體有限元組合起來挨下，發(fā)展了模擬計算程序PFRAC(Pipeline FRacture Analysis Code）熔恢。莊茁改進(jìn)了其部分功能并擴(kuò)展了組合受力分析的能力，發(fā)展了開裂結(jié)鉤與流體的解耦分析計算臭笆，并完成了解耦部分的計算程序叙淌。通過與實驗比較，該程序的可靠性得到了證實持沛。

在PFRAC中摆咽，耦合部分的流體力學(xué)計算采用有限差分法，處理范圍包括二維移動邊界條件和多樣流動性能汇凌，如兩相流等种功；結(jié)構(gòu)動力學(xué)部分基于有限元方法，采用彈一塑性殼單元蚪教，適用于大變形情況共吞。由于采用了顯式積分，避免了剛度矩陣求逆過程甥归，提高了計算速度肝唁。缺點是流場計算精度不高，尤其是用磨損缺口的方法簡化變形后的管壁斷面卑保，與真實變形狀態(tài)不符处冰。

PFRAC是為了分析天然氣管道斷裂問題而發(fā)展的，也適用于其他壓力管道和容器的結(jié)構(gòu)分析天俺。程序中管道內(nèi)壓可以表示為時間的函數(shù)赞辩，因此可以用來模擬多種載荷工況，包括穩(wěn)態(tài)壓力、變化壓力辨嗽、沖擊載荷等世落。作為特例，該程序也可以對未開裂管道或容器在靜態(tài)糟需、動態(tài)和沖擊載荷作用下進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計算屉佳。在程序單元庫中包括彈簧單元、梁單元洲押、三角形板（殼）單元武花、矩形板（殼）單元、管道單元杈帐、六面體實體單元等体箕，也可以利用這些單元進(jìn)行組合受力分析。

PFRAC程序在應(yīng)用中不斷得到改進(jìn)挑童。Kanninen和O’Donoghue(1994)提出可以用裂紋尖端張開角CTOA(Crack Tip Opening Angle）作為對延性材料進(jìn)行管道動態(tài)裂紋擴(kuò)展和止裂的定量評價準(zhǔn)則累铅，給出的結(jié)果與實驗作了比較。

莊茁和O'Donoghue(1996）將PFRAC應(yīng)用于小規(guī)模PE管道的穩(wěn)態(tài)斷裂S4(small-scale steady state）實驗?zāi)�擬問題站叼，將得到的材料斷裂韌性Gd和臨界壓力pc隨溫度禽岭、壁厚及裂紋速度變化的關(guān)系同實驗結(jié)果比較，以此定量評估全尺寸的管道斷裂問題碉伙，并在程序中加入針對附加止裂構(gòu)件的分析功能并對結(jié)果進(jìn)行了比較下抬。次年他們比較了不同邊界條件下的輸氣管線裂紋快速擴(kuò)展問題RCP(Rapid Crack Propagation）的PFRAC計算結(jié)果，指出軸向邊界條件對管線斷裂分析起重要作用真译，而端部邊界條件則影響甚微紧燎。1998年考慮了管道和巖土的共同工作，給出的有無覆蓋土層裂紋驅(qū)動力的變化規(guī)律同預(yù)計趨勢相一致猬蚤。

由小川和莊茁（1999）作了鋼制管道的斷裂性能評價戒款，進(jìn)而分析了動態(tài)裂紋擴(kuò)展中的尺寸效應(yīng)。郭永進(jìn)执寺，莊茁（1999）考慮了裂紋快速擴(kuò)展中的溫度效應(yīng)区孩。莊茁，曲紹興等（2000）發(fā)展了纖維動態(tài)橋連模型并應(yīng)用于PFRAC洞惕，以模擬纖維增韌PE管道的動態(tài)斷裂性能刑嚷。在以上研究內(nèi)容中，裂紋擴(kuò)展速度均取為實測或估計的恒定值竟坛。

求解裂紋驅(qū)動力不限于節(jié)點力釋放技術(shù)一條途徑闽巩。莊茁和O'Donoghue(1997）發(fā)展了能量平衡方法的數(shù)值計算模型，引申了各物理量的變化規(guī)律担汤，并對兩種算法得到的結(jié)果進(jìn)行了相互驗證涎跨。J,G.Wi11iams提出了天然氣管道裂紋擴(kuò)展分析等效梁模型，在此基礎(chǔ)上，莊茁考慮彈性地基對開裂管道的影響隅很，應(yīng)用半解析半數(shù)值解法撞牢，給出了最小二乘法解答。

英國的Ivankovic等人（1997）引入有限體積法FVM(Finite Volume Method）求解輸氣管道裂紋擴(kuò)展問題叔营，其中流場的計算引入了多重網(wǎng)格方法屋彪，即壓力和速度不在同一網(wǎng)格下求解，并給出了針對小規(guī)模PE管道穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展問題的計算結(jié)果绒尊。應(yīng)用PFRAC程序和FVM計算天然氣PE管道撼班，在相同幾何條件和荷載工況的前提下，所得裂紋驅(qū)動力的量值是一致的垒酬，但峰值所對應(yīng)的裂紋速度區(qū)域略有差別。

上一頁

下一頁