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油气管道腐蚀断裂的机理分析l22舟山群岛已经成为世界级的石油中转区,石油管道的安全问题和疲劳寿命问题已经提上了研究日程。众所周知,石油管道在切割、打磨等加工制作工程中,难免会在表面产生很多微裂缝。油管在持续应力作用下并且在油气复杂的腐蚀环境ǔS性汀⑻烊黄约八然旌衔工作时,这些微裂缝会向内扩展,裂缝长度不断增加,管壁的有效受力截面逐渐变小,最终导致突然性的断裂破坏,这种现象称为应力腐蚀疲20063(PrudhoeL蚀引发。这种方式的裂缝扩展不是由于裂缝尖端材料的强度较低,主要是因为裂缝尖端附近应力集中的区浙江海洋学院学报匀豢蒲О文章编号:———.EngineeringZhejiangUniversityBeijing1China)Bay),浙江舟山;本┐笱Яρв肟仗旒际跸担本CharlesHillig裂缝的动态扩展过程。研究的重点是确定裂缝扩展时的形态以及可以避免应力腐蚀现象的载荷和环境条件。数值计算结果表明,确实存在一个临界条件段,当应力和腐蚀环境条件在该临界范围内时,油气管道可以避免腐蚀断裂破坏。同时还部分鳃释了普拉德霍湾石油泄漏事故的起因。关键词:石油管道;应力腐蚀耦合;裂缝动态扩展;数值方法TE988A猙,Ping-en2YINre-:唐志波,男,浙江岱人,讲师,博士,研究方向:固体力学、,;2DepartmentEngineeringPekingAbstractBasedsystemauthors,】瑆痶,resultwhich瑆簅;籧籲收稿日期:——No1Mar2007
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1)E=(1)ElE7ycl域材料在较大应力和腐蚀耦合作用下被快速腐蚀,使得裂缝的有效长度迅速增大,最后导致断裂破坏灾难。其中腐蚀的速度跟裂缝附近的应力状态、材料常数、裂缝的几何形状以及化学反应环境有关。特别要l现象可以避免。近几十年来有很多学者对这种现象发生了兴趣,纷纷提出了各种解释该现象的机理和数学力学模型【渲蠧和在年提出的模型被广为接受,但因其模型的复杂性以及数值模拟技术水平的限制,一直没有取得突破性进展,没有得到裂缝动态扩展全过程。年,美国国家计量CHUANGFULLERtnI他们假设了规则形状的微裂缝,根据在应力和腐蚀耦合作用下裂缝表面被腐蚀硐治A逊炖┱的初始条件,证实了应力阀值的存在,并预测了裂缝扩展过程中的四种可能形态。在本文中,笔者应用了自己开发的有限元程序实现了用数值方法模拟裂缝的动态扩展,计算结果证实了应力阀值的存在性,并给出了可避免腐蚀断裂现象发生的条件。笔者发现导致腐蚀断裂破坏的条件不仅仅和外载荷有关,而且还跟温度有关,并计算出了耦合的临界曲线。CHARLESHILLIG面包括裂缝尖端的材料被腐蚀的速度乃取决于裂缝附近局部的“热力学驱动力”force)(energy【,而这两个因素又取决(1)方便起见,采用平面应变假设,裂缝表面包括裂缝尖端的法向倒退速度布床牧媳砻姹桓吹乃俣可t速度,一般约为ms@)妒。盯矿愿叫=Vma(分别是无应力状态下裂缝单位面积上的表面能和表面曲率,,硎景记妗3吆蛂分别表示气体常数和作为基础性的研究,我们不妨先假设一个边缘包含一条微裂缝的弹性体,裂缝处于化学腐蚀环境,为以表示为exp(