内压作用下斜接接管结构裂纹萌生预测研究

摘要

随着我国对境外能源依赖度的不断增加，在陆地建设一万公里量级以上的油气管道及相应的集输压力容器已变得十分普遍。斜接接管结构作为油气管网及其附属集输压力容器设计中不可避免的结构形式，虽在整体管网中所占比例不大，但属于整体管网中最为薄弱的环节之一，常常产生各种形式的失效和破坏。它的安全稳定运行不仅涉及到国家能源战略的安全，更牵扯到管道所经地域和国家环境保护的重要责任。本文针对内压作用下理想的（没有初始缺陷的、没有焊接带来的不利影响的）斜接接管结构进行裂纹萌生预测研究，并总结分析斜接接管结构的结构参数、应力应变分布、裂纹萌生预测结果之间的关系，以便在斜接接管设计的初期提供一些结构优化的建议，进而增加其在实际工作中的疲劳寿命。
　　本研究主要内容包括：⑴分析了目前普遍使用的缺口构件裂纹萌生预测方法，对比了它们在斜接接管结构裂纹萌生预测上的步骤和优缺点，并对现有条件进行了评估，选择了一种可行的研究方法。⑵针对所选的斜接接管结构裂纹萌生预测方法的需要，通过有限元模拟的手段，考察了斜接接管结构弹性应力集中系数（理论应力集中系数）与无量纲结构参数之间的关系。结果表明，小倾斜角、大开孔率、大的筒体与接管的厚度比、大的筒体径厚比将加剧斜接接管结构的应力集中状况，对其造成不利影响。其中当倾斜角小于45度时弹性应力集中系数大幅增加，在结构设计时应尽量避免。⑶考察了斜接接管结构弹性应力最大点（危险点）可能出现的部位，并根据斜接接管结构在应力应变分布上的特点将考察范围锁定在理想的焊缝区可能出现危险点的内相贯线、接管焊趾线、筒体焊趾线这三条危险线上。结果表明，在理想的斜接接管结构中，裂纹萌生始终发生在内相贯线的锐角侧。⑷使用局部缺口应力应变方法对斜接接管结构的裂纹萌生进行了预测，得到结构参数对其的影响规律。结果表明，小倾斜角、大开孔率、大的筒体与接管的厚度比、大的筒体径厚比将减小裂纹萌生预测结果，对其造成不利影响。其中当倾斜角小于45度时裂纹萌生预测结果将大幅减少，在结构设计时应尽量避免。⑸从概率分析角度对斜接接管结构的裂纹萌生预测进行了可靠性分析。并在给定循环载荷范围下，对60度斜接结构进行了具有一定可靠度的裂纹萌生预测。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 裂纹萌生预测方法与分析

2.1 裂纹萌生预测方法

2.2 裂纹萌生预测方法的对比分析

2.3 研究简化与研究方法选择

2.4 本章小结

第3章 斜接接管结构应力分布研究

3.1 有限元模拟的方案设计

3.2 有限元模拟

3.3 数据的获得和处理

3.4 应力分布状况的分析与讨论

3.5 危险点的分析和讨论

3.6 本章小结

第4章 裂纹萌生预测

4.1 概述

4.2 裂纹萌生预测

4.3 结构参数对裂纹萌生预测结果的影响

第5章 可靠性研究与讨论

5.1 概述

5.2 一种简单可行的可靠性计算方法

5.3 算例

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 有限元模拟的APDL命令流

附录C 裂纹萌生预测程序

附录D 裂纹萌生预测可靠性程序