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    含缺陷油氣管道剩余疲勞壽命的預測

    2019-05-09   來源:   點擊數:0次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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     中國鋼管信息港記者昨日獲悉:由于硫酸裝置中的管道直徑很大,管道的徑向膨脹量不容忽視,尤其對于彈簧支吊架的選型影響很大,因此每個支承點必須做一個從管中心到管外壁帶溫度的剛性元件,使管架實際支承在管外壁。硫酸裝置中的大直徑管道均采用短半徑焊制蝦米彎和未補強的焊制三通,其應力集中系數分別達到12和8左右,這些都是管道中的危險點,在應力分析中應引起足夠的重視,對于部分應力集中很嚴重的分支點處可加設補強圈。
      
      存在問題及建議3.1考慮摩擦力的問題有關規定中規定鋼對鋼的滑動摩擦系數f= 0.3實際上為極端靜摩擦系數,那么動摩擦系數取多少。是否可以把摩擦推力看作瞬時載荷,當考慮正常載荷加摩擦載荷時,設備許用推力和力矩是否可以增加,增加百分之幾,鋼對鋼的滑動摩擦系數全部按0.3考慮是否合適,目前對這些問題的看法不統一,希望CAESAR用戶協作網組織各方專家會同COADE公司討論此問題,給出一個明確的規定。
      
      對所采用的含缺陷管道疲勞壽命預測方法的計算結果做了實驗驗證,結果表明,含缺陷管道的疲勞壽命數值計算結果與實物試驗結果基本吻合,采用Paris公式以及Zahoor等提出的管道表面裂紋尖端應力強度因子表達式進行油氣輸送管道的疲勞壽命計算分析是可行的。由分析和計算得知,含表面裂紋缺陷鋼管疲勞加載周期為1465次,考慮安全裕度,其剩余疲勞壽命約為20a含外表面裂紋疲勞擴展過程分為疲勞裂紋穩定擴展和疲勞裂紋快速失穩擴展兩個階段,前者的擴展周期較長,后者的擴展周期相對較短。
      
      主題詞輸油管道輸氣管道表面裂紋疲勞壽命疲勞試驗油氣輸送管的疲勞斷裂往往是由管線中的各種交變應力引起的。這些交變應力有些來自于管內輸送壓力的波動和氣體介質的分層結構,也有些來自于管線外部的變動載荷,如埋地管線上車輛引起的振動、沼澤地管線浮力的波動、沙漠管線流沙的遷移、穿越管段埋深不夠形成的懸空段在水的沖擊下產生的卡曼振動等。這些因素均會產生交變應力,使鋼管內部和表面的缺陷發生擴展,最終造成管道的疲勞斷裂。由于疲勞斷裂往往是突然發生的,沒有預先征兆,因而具有較大的危險性,尤其對于天然氣高壓長輸管線,其危害性更是顯而易見。
      
      中國鋼管信息港記者昨日獲悉:通過理論分析計算和實物試驗相結合,筆者研究了含缺陷輸送管在承受內壓疲勞載荷下表面裂紋的擴展規律,預測了其疲勞壽命,最后通過含表面裂紋鋼管實物疲勞試驗對計算結果進行了驗證。
      
      研究方案針對油氣輸送管壁薄、口徑大的特點,采用Zahooi的用于薄壁管的K表達式,根據Paris公式對鋼管的疲勞裂紋擴展規律進行了研究,并對其疲勞裂紋擴展周期做了計算分析。Paris公式的表達式為C,n材料試驗常數。
      
      本研究采用的是國產X60SSAW鋼管,規格為5660爪爪8.7爪爪。鋼管母材%=540MPa;焊縫b=582MPa為了消除端部效應對試驗結果的影響,取樣管長度為7m.對于承受內壓p的管道,環向應力和軸向應力分別為由潘勇琨工程師,生于1971年,1993年畢業于西北工業大學材料科學與工程學院,2000年畢業于清華大學機械工程系,獲工學碩士學位u現從事質量安全與環境保護檢驗監督工作u地址:(100029)北京市朝陽區電話:(010)0.003m,裂紋表面長度2c =0.05m.疲勞試驗前先小載荷加載預制裂紋,隨后加大載荷進行疲勞試驗。加載應力比R=0.1,以模擬實際管線中停輸以及發生斷裂事故時管道內的輸送壓力波動。最大載荷選取鋼管母材屈服強度的72%約為7 5MPa最小載荷取0.75MPa.在此試驗條件下,全尺寸疲勞試驗系統疲勞加載頻率為150/h.油氣輸送管疲勞壽命分析Newman的研究結果表明,對于表面裂紋的疲勞擴展過程,Paris公式也是適用的。不同的是沿裂紋長度方向和深度方向分別采用裂紋演化方程進行計算。預測管道的疲勞壽命就是要計算鋼管在疲勞內壓加載下由初始裂紋《0擴展到臨界裂紋ac時的周期。采用與樣管相同材料進行小尺寸疲勞裂紋擴展試驗結果為由于實驗室試驗結果是穿透裂紋沿軸向的擴展速率,當用于表面裂紋沿深度方向的擴展時,應進行修正,修正系數為CB=Ca(0.9)=1.32,其中Ca、CB分別為表面裂紋沿深度和長度方向的擴展系數。這樣鋼管外表面半橢圓裂紋沿管徑向擴展速率方程修正為根據Zahoor等的研究結果,對于承受內壓p的壓力容器和管道,當含有軸向外表面半橢圓裂紋時,裂紋尖端應力強度因子表達式為由可得在疲勞載荷作用下裂紋尖端應力強度因子變化幅值AK表達式為計算中只考慮了停輸及管線失效(泄漏或爆裂)等情況下的壓力波動(即應力比R =0.1)對管線疲勞壽命的影響,對于管線中頻繁發生的小的壓力波動(R0. 8)則沒有考慮。此外,對于鋼管殘余應力、環境溫度以及腐蝕等各種情況的影響都沒有進行分析。因而實際管線的疲勞壽命應保留一定的裕度,取安全系數為2筆者研究的鋼管實際剩余壽命約為20a.疲勞試驗結果分析與驗證1.表面裂紋形態的疲勞擴展演化規律材料的疲勞裂紋擴展過程實際上就是在循環載荷作用下裂紋尖端塑性區累積損傷的過程,通過裂紋尖端塑性區與疲勞損傷區的相互演化和運動,使得疲勞裂紋不斷擴展直至失效。
      
      表面裂紋根據其形狀因子(a/c)大小不同可以分為不同的類型。筆者取預制裂紋形狀因子a/c<1,2c/心12裂紋類型為淺表面長裂紋。從試驗后疲勞斷口宏觀形貌可見,疲勞試驗過程中疲勞裂紋沿長度方向基本上沒有發生擴展,而沿深度方向則擴展較快,直至泄漏失效。
      
      表面裂紋的顯著特點是裂紋前沿是不規則的,且裂紋前沿各點處的擴展速率各不相同。一般情況下,裂紋前沿最深點處裂紋擴展速率最高,其它地方則各不相同。裂紋前沿各點擴展速率的差異,又使得裂紋擴展過程中的形狀也具有不確定性。在ASMEXI以及BSIPD6493標準中規定,表面裂紋擴展前沿按近似半橢圓形狀對待。這種方法在工程實際中是適用的,但存在一定的保守性。Newman和Lin分別米用雙自由度法和多自由度法對不同形狀因子的表面裂紋前沿擴展規律進行了研究,結果表明,在疲勞裂紋貫穿以前,表面裂紋形9-麗與管徑、壁厚有關的材料常數―釀油狀1般用半半橢圓來描述。在本試驗中如裂紋基本上沿深度方向擴展,直至裂紋最深點達到管體內表面,形成貫穿裂紋。
      
      2疲勞裂紋擴展速率研究本次實物疲勞試驗一共進行了約50h,其間預制疲勞加載周期約5200次,最后在預制裂紋處裂紋萌生。隨后加大疲勞載荷,萌生裂紋經過緩慢擴展、穩定擴展以及失穩擴展階段后擴展至內表面,并形成穿透裂紋,導致該處發生泄漏,并伴隨有壓力降低現象,于是停止試驗。疲勞擴展及失穩過程加載周期約1620次,而計算結果為1465次,偏于保守。這是由于油氣輸送用鋼管基本上是薄壁大口徑,裂紋尖端主要是平面應力狀態,而采用式(5)計算鋼管裂紋尖端應力強度因子時,裂紋尖端的平面應力狀態將使計算結果偏于保守 。
      
      中國鋼管信息港記者昨日獲悉:實物試驗測得的裂紋擴展曲線裂紋穩定擴展期較長,裂紋快速擴展期相對較短。裂紋穩定擴展階段疲勞裂紋擴展速率方程為da/dN=3.22X1010(Ak)284(9)對于含裂紋類缺陷的鋼管,在管線運行過程中承受內壓波動后,裂紋缺陷不經過疲勞裂紋萌生階段,直接進入裂紋的穩定擴展階段和快速失穩擴展階段。如果在裂紋發生快速失穩擴展以前不能夠檢測到裂紋的存在,則服役管線將發生斷裂失效事故。
      
      為了試驗研究的方便,試驗中,只考慮了裂紋尺寸大小對鋼管疲勞裂紋擴展壽命的影響。然而實際管線中對疲勞擴展壽命的影響因素要復雜得多,其中諸如焊接殘余應力、環境溫度變化、地層移動以及土壤和輸送介質的腐蝕等,對管道中裂紋的疲勞擴展都有一定的促進作用,這些問題有待于繼續深入研究。
      
      結論由計算和分析得出,含表面裂紋缺陷鋼管疲勞加載周期為1465次,考慮一定的安全裕度后,其剩余疲勞壽命約為20a.含裂紋缺陷鋼管疲勞壽命的理論計算與實物試驗結果基本吻合,故可以通過小尺寸疲勞試驗來預測分析實際管線的疲勞壽命。
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