输气管道裂纹动态扩展影响因素分析.pdf

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储运与集输工程             天  然  气  工  业                  2006 年 5 月 输气管道裂纹动态扩展的影响因素分析 白永强  帅 健  许 葵  孙 亮  陈 钢 ( 中国石油大学 ·北京)   白永强等. 输气管道裂纹动态扩展的影响因素分析. 天然气工业 ,2006 ,26 (5) :122124 .   摘  要  输气管道裂纹的止裂是保障管道安全可靠性的前提 ,而管道裂纹动态扩展的驱动力则是表征裂纹扩 展或止裂的直接因素 。通过建立输气管道裂纹动态扩展的有限元模型 ,并在模拟计算中考虑裂纹扩展速度的衰 减 ,分别计算了表征动态裂纹扩展驱动力的两项参数 ———能量释放率和裂纹尖端张开角 ;进而分析了管道内压 、壁 ( ) 厚 、裂纹止裂长度和初始裂纹速度对裂纹驱动力 也即裂纹扩展 的影响 。最后得出结论 : ①管道内压对裂纹驱动 力的影响很大 ,在其他条件不变 , 内压越大的管道裂纹驱动力越大 ; ②管道壁厚也是对裂纹驱动力影响较大的一个 因素 ; ③随着止裂长度的增加 ,裂纹尖端张开角也随着增大 ; ④最大裂纹速度越高 ,裂纹越不容易止裂 。   主题词  输气管道  裂纹  有限元法  动态  扩展  影响 分析  驱动力  裂纹尖端张开角   天然气输送管道的许多灾难事故起源于裂纹的 的裂纹扩展的净变化 ,被称为动态能量释放率 ,或等 快速扩展[ 1 ] 。显然 ,在油气管道上避免这种灾难是 价地称为裂纹扩展的驱动力 。除能量释放率外 ,裂 极为重要的。 纹尖端的张开角也可以作为裂纹扩展的驱动力 。对   实际管道中的裂纹开裂扩展是一个动态扩展过 于天然气管道上的裂纹扩展问题 ,可以基于气体 — 程 。一方面由于管道内天然气不断释放出来推动裂 管道 —断裂相互作用的有限元模型来模拟真实的结 纹快速扩展 ; 另一方面由于裂纹扩展过程中管体的 构状态 。而裂纹驱动力可以用节点约束力释放的方 惯性作用 , 同时高韧性管材在快速撕裂过程中也要 法得到 。 不断消耗能量 ,这又阻碍了裂纹的加速扩展 。这几   图 1 示出了受内压管道裂纹驱动力和材料断裂 方面的综合作用可 以用裂纹扩展驱动力大小来衡 韧性与裂纹扩展速度的关系[23 ] ,可以看出 ,对于非 量 ,裂纹扩展驱动力越大 ,则裂纹将继续扩展 ; 反之 常慢和非常快的裂纹扩展速度 ,其驱动力均较中速 裂纹扩展速度将逐渐降低直至裂纹止裂 。研究裂纹 扩展的裂纹为小 。前者裂纹驱动力减弱的原因是由 扩展驱动力大小的影响因素也就是了解动态裂纹扩 于内部气体减压和裂纹后面气体迅速溢出 ,形成减 展的影响因素 。 压限制区;而后者减弱是因为更多的外力功转换为 结构本身的惯性力 ,导致动能的提高 ,从而耗散了裂 一 、动态裂纹扩展驱动力的计算 纹驱动能量 ,形成惯性限制区。所以 G 的峰值产生 ( )   按照断裂力学的基本理论 ,裂纹扩展过程中 , 由 于裂纹中速扩展, 断裂韧性 G 随着裂纹速度的增 d 于物体内部能量的释放所产生的驱

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