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1、X70钢腐蚀疲劳若干问题的探讨,北京工业大学机电学院,专 业：固体力学指导教师：张亦良,姓 名：徐金泉,4,课题背景,1,2,3,5,研究现状,课题研究思路,研究内容,总结,课题背景,在国外上世纪70年代初，API研制出X70钢；在国内上世纪90年代初，我国研制出X70钢并成功应用于“涩宁兰管道”工程-“西气东输”标志性工程。“西气东输”工程是贯彻落实党中央西部大开发战略的重大工程，而“西气东输”管道工程所用的管线钢为X70等级钢，规格为1016mm14.626.2mm,新疆塔里木轮南为主供气地,上海市,历跨9省市，全程约4000多公里，管道事故频频发生,据不完全统计，仅塔里木油田管辖区，20
2、09年1月至11月，“西气东输”埋地管道就有18处泄漏。课题组在新疆工作的6天内，就有3次“抢险”经历,10Mpa管道内压低频波动焊接残余应力其它因素引起的应力H2S腐蚀环境,为何事故频频发生？,低频率腐蚀疲劳问题！,关于应力腐蚀的研究近况 1983年，国外学者M Kimura通过研究得出X70钢处于低pH值下腐蚀生成的膜较为不稳定的结论。2004年，李云涛等人通过研究得出：随着冷变形度的增加，国产X70管线钢的抗应力腐蚀能力下降。2006年，国外学者S U KOH从材料学的角度出发，研究了管线钢的不同合金元素、热处理以及金相组织对管线钢应力腐蚀性能的影响。,一 研究现状,关于腐蚀疲劳的研究近
3、况 1980年，国外学者Vosikovsky对X65和X70两种材质钢进行了腐蚀疲劳研究，得出：较低的载荷频率可使中等K情况下的裂纹扩展速率增加。1993年，王荣等认为空气中频率构件的门槛值受应力比关系显著，而在腐蚀介质中门槛值受应力比以及频率关系都很显著。02年，业成则认为，腐蚀疲劳存在一个临界值频率，如果载荷加载频率小于该临界值时，则频率对裂纹扩展影响不大。,静态数值模拟,结论,门槛值影响因素,腐蚀环境中裂纹扩展研究,测定裂纹扩展表达式,测定门槛值,系统软件改造,试验装置改进,试验测量技术改造,试验程序编译,研究前期工作,升降法和裂纹扩展公式,研究思路,研究内容,引伸计测位移Vi,传感器测
4、载荷Pi,改进型WOL试样,计算机软件采集,柔度方程:v/p=f(a/w)/EB,求裂纹长度ai,a-裂纹长度B-试样厚度 E-弹性模量,K=Pg(a/w)/B,i,原有装置的特点及存在的问题,容器外部2个引伸计,容器内部引伸计极易腐蚀,内部引伸计,数据处理不便，误差增大,装置改造思路,将引伸计外移避免腐蚀,引入导杆,引起试样开口处附加弯矩，造成误差,2.加支撑杆减小误差,1.密封液密封，以免H2S泄露,误差减小多少？,静不定有支撑M1=0.6256F1a,静定：无支撑M0=6F1a,M1/M0=10.4%弯矩减少90%！,F1,F2,简化：F2=2F1q=F2/2a,数值模拟,目的：将模拟寿
5、命与试验寿命进行对比腐蚀疲劳数值计算条件：1.静力分析，得到静应力数据2.获取S-N曲线由于S-N数据缺乏，本文只进行了静力分析,模型图,位移图,应力图,数据处理流程图,(V/P)i,(i(da/dN)i),数学模型,i,程序求裂纹长度ai以及(da/dN)i,基于柔度方程原理:V/P=f(a/w)/EB,程序流程图,在每一程序循环中每隔10个N取出一对（ai,Ni），共9对,进行9点二次多项式拟合,将每一循环二次多项式系数储存一矩阵A中,每一程序循环中提取二次多项式系数,求出每次加载循环拟合值ai以及裂纹扩展速率da/dNi,剔除数组da/dN中小于零、递减的点，同时剔除数组a中与da/dN
6、相对应多余的数据点，并把新的a和da/dN储存到新的数组中,f=0.010Hz r=0.8 c=2000ppm,10（da/dN）,10（K）,试验方法设计,本课题考虑影响因素：应力比，频率，腐蚀溶液浓度，且每因素有三个数值水平本课题特点：试验周期长（完成1次试验时间需30天）普通试验方法：排列组合33=27次！正交试验法：较少的试验次数，最优的试验方案。32=9次！,本课题选取正交试验法,试验方案设计,f=0.013Hz R=0.7 c=2000ppm,门槛值的概念,腐蚀疲劳裂纹扩展曲线存在一临界值th th，裂纹扩展；th称为门槛值,th,本文测得的试验门槛值数据,门槛值数据汇总,应力比对
7、门槛值的影响,应力比R对门槛值起主导因素，不论浓度、频率如何变化，R越大，th越小应力比R一定时，随着腐蚀溶液浓度的增加，浓度对th的影响比重增加。,浓度、频率对门槛值的影响,浓度越高，th受应力比变化越显著比较前述表格可知：相同浓度时，具有热影响区试样的th比母材普遍低浓度、应力比一定时，频率对th较“敏感”,腐蚀疲劳裂纹扩展的研究,裂纹起始期所占的比例远远小于裂纹扩展期。因此，本文主要探讨裂纹扩展期要对裂纹扩展期以及裂纹扩展寿命进行研究，就必须建立裂纹扩展期的数学模型，在工程应用中，依然采用Paris公式da/dN=C()m,图2-1 典型的da/dNK曲线,低速扩展区,幂规律特性区,裂纹
8、失稳扩展区,腐蚀疲劳裂纹扩展表达式,裂纹扩展速率表达式c,m的值,C=5.0110-4(0.2042)m,C,m的拟合直线关系图,da/dN=C()m,裂纹扩展曲线类型,A类型：腐蚀疲劳曲线类似空气疲劳曲线B类型：KKISCC介 质影响极大，达到某K时，出现应力腐蚀平台C类型：前阶段类似A类型，后阶段类似B类型,腐蚀平台,腐蚀平台,C,B,A,讨论,1.当应力比R减小时，水平台阶向右移动。原因：应力比R较大时，较大，裂纹张开位移较大，氢容易向裂纹尖端输送，氢脆程度增强，应力腐蚀占裂纹扩展的主导地位；应力比R较小时，较小，裂纹张开位移较小，氢向裂尖输送受阻，氢脆的程度不强，裂纹疲劳占裂纹扩展的主导位置,2.浓度一定时，变化应力比R和载荷频率f,可以改变腐蚀疲劳的扩展曲线，即改变腐蚀疲劳破坏类型,总结,门槛值受应力比R、频率f以及浓度的影响，其中应力比R对门槛值占主导决定因素。X70钢母材试样的腐蚀疲劳裂纹扩展表达式C与m存在指数关系C=5.0110-4(0.2042)m腐蚀疲劳裂纹扩展曲线破坏类型受应力比R，频率f以及浓度C的影响；应力腐蚀水平台阶的位置受应力比R影响,敬请各位专家批评指正！,Thank You!,
