轴向穿透裂纹管道套管修复性能研究

摘要

对轴向穿透裂纹管道，采用裂纹区域套管修复的方式，可以阻止或延缓裂纹的扩展，在实际中应用广泛，定量研究套管结构对缺陷管道的止裂效果有重要意义。极限分析能反映结构状态的本质，在缺陷管道的安全评定和结构的强度设计中占据重要位置。运用断裂力学理论，采用有限元分析方法，研究了轴向穿透裂纹管道套管修复的止裂规律；运用弹塑性力学理论，采用三维弹塑性有限元方法，对塑性极限载荷进行了计算。 主要研究内容及结论如下： (1)研究了轴向穿透裂纹管道有限元模型建立方法，并验证了模型的正确性。建立了轴向穿透裂纹管道套管修复结构有限元模型，通过ANSYS提供的参数化编程语言(APDL)编写了模型生成、加载及后处理宏程序。 (2)通过止裂系数f衡量套管结构的止裂效果，其值等于套管修复后裂纹管道的应力强度因子K与原裂纹管道K0的比值；通过极限载荷系数p衡量极限载荷水平，其值等于缺陷管道的极限载荷PLd与相同规格的无缺陷管道极限载荷PL0的比值。对无预应力套管和预应力套管两种结构进行了计算分析。 (3)对无预应力套管管道，f和p与套管位置Lx、套管长度Ls、套管壁厚ts有关：f随着Lx的增大先减小后增大，随着Ls和ts的增大而减小；p随着Lx的增大先增大后减小，随着Ls和ts的增大而增大，直至达到最大值。给出了套管修复推荐参数为等壁厚全裂纹长度套管修复。推荐参数下，f与管道厚径比t/D0和裂纹长度比α/D0有关，给出了f的拟合公式；推荐参数下，p值接近1，与裂纹管道参数无关，修复后的裂纹管道能达到完好管道的极限载荷水平。 (4)对预应力管道，预应力通过套管与裂纹管道过盈配合方式产生。f和p与Lx无关，与La、ts、过盈量δ有关：f随着Ls、ts、δ的增大而减小，达到最小值后增大；p随着Ls、ts、δ的增大而增大，达到最大值后保持不变。给出了预应力条件下的推荐套管结构形式，与无预应力套管推荐形式相同。推荐套管形式下，不同的轴向穿透裂纹管道f取得最小值的δ不同，结构极限载荷能达到完好管道水平，p受δ影响不大。 (5)对比两种情况下两种衡量指标获得的结论，预应力套管的效果要好于无预应力套管，推荐采用的套管形式为等壁厚全裂纹长度套管，小过盈量安装，以方便工程应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1 绪论

1.1压力管道缺陷介绍

1.2常用缺陷管道修复技术

1.2.1金属焊接修复技术

1.2.2复合材料补强修复技术

1.3含缺陷压力容器评定方法简介

1.4断裂力学理论及发展应用

1.4.1 线弹性断裂力学理论发展及应用

1.4.2弹塑性断裂力学理论发展及应用

1.4.3断裂参量

1.5塑性极限分析方法

1.5.1极限分析概念

1.5.2极限载荷确定方法

1.5.3极限载荷确定准则

1.6前人研究成果及不足

1.7本课题研究内容及意义

2有限元模型建立及验证

2.1 ANSYS软件简介

2.2单元选择及模型建立

2.2.1单元选择

2.2.2裂纹尖端模拟方法

2.3有限元模型验证

2.3.1应力强度因子

2.3.2极限载荷

2.4含套管轴向穿透裂纹管道模型

2.5 小结

3轴向穿透裂纹管道无预应力套管止裂研究

3.1 含套管轴向穿透裂纹管道模型

3.1.1 含套管轴向穿透裂纹管道几何模型

3.2.2含套管轴向穿透裂纹管道有限元模型

3.2无预应力套管止裂性能分析

3.2.1 套管位置对止裂系数的影响

3.2.2套管长度比对止裂系数的影响

3.2.3套管壁厚比对止裂系数的影响

3.2.4裂纹管道外径对止裂系数的影响

3.2.5推荐条件下止裂系数的计算方法

3.3 小结

4轴向穿透裂纹管道无预应力套管极限载荷分析

4.1 含套管轴向穿透裂纹管道模型

4.2无预应力套管极限载荷系数分析

4.2.1 结构及控制参数选取

4.2.2套管位置对极限载荷系数的影响

4.2.3套管长度比对极限载荷系数的影响

4.2.4套管壁厚比对极限载荷系数的影响

4.2.5裂纹管道外径对极限载荷系数的影响

4.3结果比较

4.4小结

5轴向穿透裂纹管道预应力套管止裂性能分析

5.1 模型说明

5.2预应力套管止裂系数分析

5.2.1过盈量选取

5.2.2套管位置对止裂系数的影响

5.2.3套管结构对止裂系数的影响

5.2.4预应力套管推荐修复参数

5.2.5管道结构对止裂系数的影响

5.3结果比较

5.4 小结

6轴向穿透裂纹管道预应力套管极限载荷分析

6.1 预应力套管轴向穿透裂纹管道模型

6.2预应力套管极限载荷分析

6.2.1 参数选取

6.2.2套管位置对极限载荷系数的影响

6.2.3套管壁厚比对极限载荷系数的影响

6.2.4套管长度比对极限载荷系数的影响

6.2.5管道结构对极限载荷系数的影响

6.3结果比较

6.4 小结

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢