受环境侵蚀充压管道在静力拉伸、弯曲和侧向冲击作用下的力学性能研究

摘要

管道因运输量大、连续、经济等优点成为海洋和陆地上长距离及核设施等高压容器间短距离输送高能、高压气体及液体的主要途径，成为现代工业流体输送的主动脉，为社会进步和经济发展提供了能源保障。同时，管道因其独特的构型与功能，被广泛地应用于军事和民用工业的许多部门。然而，在大量发展和使用此类构件的过程中，也出现了许多需要迫切解决的问题。如因工作条件、使用年限及材料属性等原因，此类构件极易遭受输送介质和恶劣环境侵蚀，导致构件整体或局部出现缺陷，造成可靠性下降；受地震、地基沉陷等天然或人为因素影响，管道通常承受弯曲作用而引发失效，并因其灾难性的连锁反应，造成极大人员和财产损失。此外，在管道服役期内可能会遭受滚石、空中坠物等的撞击作用，管道经常受到表面材料锈蚀、内部压力和外部撞击的联合作用而引发失效。
　　大量研究指出腐蚀是运输石油和天然气管道面临的最主要问题。锈蚀后的管道常在弯曲、撞击等作用下发生破坏，进而导致内部输送的高压、易燃介质喷射造成环境污染，甚至引起爆炸、起火，造成的次生灾害程度远远超过其本身结构的破坏。近几十年来，对于内充压力介质后的未锈蚀管道，各国学者广泛应用实验、模拟和理论推导方法，对其动、静力响应特点和安全性评价方法进行了深入研究，而对于锈蚀管道在内充介质压力后的抗弯、抗冲击性能的研究未见太多报道。偶然撞击下，遭环境侵蚀的管道动力响应有何特点？临界失效能量以何种程度下降？变形是否可以通过已有针对完好管道推导的公式近似估计？受弯曲作用时，锈蚀后的管道将会出现何种失效模式？这些问题随着已建管道工程的日趋老化显得越来越紧迫。
　　针对以上问题，本文开展了系列实验并结合数值模拟分析，对内充压力介质下的外表面锈蚀管道在纯弯曲和撞击作用下的响应行为进行了研究。
　　（1）根据法拉第定律（Faraday定律），利用实验室电化学加速锈蚀方法对管道外表面进行锈蚀得到实验所需的试件。
　　（2）根据金属材料拉伸试验规范对不同锈蚀率的管道进行材料拉伸试验。同时利用扫描电子显微镜（SEM）对试件的表面进行扫描拍摄获得不同锈蚀程度管道的表面形态和特征，并利用Monte Carlo模拟方法得出锈蚀率、壁厚分布的方差对锈蚀管道力学性能的影响规律。材料拉伸实验发现，管道的抗拉强度和断裂应变均随锈蚀率的增加而下降，但弹性模量与未锈蚀管道相比变化不大。通过SEM照片得知，锈蚀管道壁厚是不均匀且随机的，沿环向和轴向上管道壁厚的变化及随机性随锈蚀率的增大而增大。模拟分析结果表明，对于管道性能，管道壁厚的离散性即方差的大小比管道锈蚀率有更重要的影响；同时还发现，不论锈蚀率及方差大小，锈蚀后管道拉伸时的破坏模式和破坏位置均是随机的。
　　（3）发明了一种圆形薄壁管道纯弯曲实验装置，并利用该装置对完好和锈蚀管道纯弯曲力学行为进行了实验研究。实验结果表明，管道在加载前期会出现截面扁平化现象，后期将在某截面集中发展塑性形成“结节”，且其“结节”形式随锈蚀程度的不同而不同。基于实测数据的弯矩-曲率关系表明，管道在纯弯曲作用下呈现明显的弹性-塑性强化-迅速失效特点。内充介质和压力将显著提高管道的抗弯承载力，而锈蚀的存在会导致抗弯承载力下降。
　　（4）对于5种不同锈蚀位置的管道，分别应用落锤、空气炮并结合高速摄像机和数据采集系统，考察了锈蚀位置、锈蚀率、内充介质压力等对其低、中速撞击行为的影响。实验结果表明，低速撞击下锈蚀将引起管道局部和整体变形能力减小并导致管道破坏模式由整体弯曲破坏转变为剪切破坏。不同锈蚀位置管道的临界能量具有较大差别，且内部介质压力水平对不同锈蚀位置有不同程度的影响。此外，引起管道破坏的临界撞击速度随管道锈蚀率的增大急剧降低，其降低程度与管道锈蚀位置相关。
　　通过本文的研究，对管道锈蚀后的性能退化机理，在静力拉伸、纯弯曲和撞击下的响应行为有了全面、清晰的认识，这为已有管道的安全性评价和管道锈蚀后的加固、修复提供了依据。

目录

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 侧向撞击下管道动力响应的实验研究

1.2.2 侧向撞击下管道响应的理论分析

1.3 当前研究存在的主要问题

1.4 本文研究内容

1.4.1 研究内容概述

1.4.2 研究内容创新点

2 管道锈蚀原理和流程

2.1 锈蚀原理

2.2 锈蚀装置及流程

2.3 锈蚀率的计算

2.4 本章小结

3 锈蚀管道拉伸破坏机理研究

3.1 实验介绍

3.1.1 锈蚀管道的SEM照片

3.1.2 实验装置

3.2 实验结果

3.3 数值模拟

3.3.1 模型生成

3.3.2 确定参数

3.4 模拟结果与讨论

3.5 本章小结

4 锈蚀管道纯弯曲力学行为实验研究

4.1 实验及装置介绍

4.1.1 研究现状

4.1.2 实验介绍

4.1.3 实验材料、装置和工况

4.2 实验现象

4.3 弯矩-曲率关系

4.4 实验结果与讨论

4.5 本章小结

5 低、中速侧向撞击下内充压力介质锈蚀管道动力响应的实验研究

5.1 实验介绍

5.1.1 实验材料和参数

5.1.2 落锤实验装置

5.1.3 空气炮装置

5.1.4 低速撞击实验工况

5.1.5 中速撞击实验工况

5.2 变形响应及破坏模式

5.2.1 落锤撞击实验高速相片分析

5.2.2 空气炮撞击实验高速相片分析

5.2.3 变形特征

5.3 临界失效能量

5.3.1 低速撞击临界失效能量

5.3.2 中速撞击临界失效能量

5.4 基于实验结果的讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

最后，感谢各位评阅专家及老师的审阅和建议，祝你们工作顺利，谢谢！