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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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