玻璃纤维复合材料结构对CO_(2)管道外部止裂性能的影响

【目的】碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)是目前中国实现“双碳”战略目标的关键技术,CO_(2)管输则是实现规模化CCUS的重要环节。CO_(2)管道本身存在各类缺陷,受CO_(2)特殊的减压特性及管道内压的影响,管道缺陷发展成初始裂纹并产生延性扩展的风险大大增加,严重威胁管道运输安全。【方法】为使CO_(2)管道实现有效止裂,采用有限元软件ANSYS建立玻璃纤维复合材料外部止裂结构模型,基于EPRI(Electric Power Research Institute)的J积分理论公式与应力分布理论计算公式对所建模型进行可靠性验证,分析外部止裂结构铺设角度、铺设厚度、铺设长度、管道径厚比以及裂纹尺寸等因素对其止裂性能的影响,最后结合延长油田400×10^(4) t/a超临界CO_(2)输送方案的L21管道对外部止裂结构模型进行评估。【结果】玻璃纤维复合材料外部止裂结构可以有效转移并承担管道所受应力,降低管道发生延性断裂的风险;止裂结构铺设厚度、铺设长度、管道径厚比及裂纹尺寸均与止裂性能正相关,而铺设角度则存在最优值。止裂结构的止裂性能由各影响因素共同决定,其中铺设厚度的影响最大,而铺设角度的影响最小。止裂结构的最佳性能尺寸为:铺设厚度与管道壁厚相等、铺设长度为0.8倍管道外径、铺设角度为60°。【结论】铺设厚度为12 mm、长度为326 mm的外部止裂结构可有效阻止L21管道的延性断裂,研究结果可为外部止裂结构的设计提供理论基础与参考范例。

止裂层约束下陶瓷板低速冲击损伤行为

目的探讨覆盖凯夫拉纤维止裂层后氮化硅陶瓷板在弹片冲击下的抗弹性能及其损伤机制。方法通过金属弹片对覆盖止裂层的陶瓷板进行冲击实验,测定不同冲击速度下的弹片剩余速度。建立冲击损伤的有限元计算模型,分析了止裂层的存在、厚度及其与陶瓷板界面强度对抗弹性能的影响规律。结果陶瓷板表面覆盖止裂层后,冲击中心区域的径向与周向裂纹更加密集,使陶瓷板在局部区域碎裂更加充分,从而吸收了更多的冲击能量,降低了弹片的剩余速度。对止裂层与陶瓷板之间的界面强度进行调控也可以影响其抗弹性能,当界面强度为0 MPa时,弹片的剩余速度较大,抗弹性能差;当界面强度>0 MPa时,弹片的剩余速度较低且趋于一恒值,不随界面强度变化,此时界面强度的具体数值对其抗弹性能影响小。结论具有一定界面强度的止裂层可降低弹片冲击后的剩余速度,并可限制陶瓷板损伤后的裂纹扩展,促进局部弹靶间的相互作用,增大冲击弹道上的陶瓷损伤,从而提升其抗弹性能。界面强度的有无对弹片剩余速度影响大,而其数值大小对弹片剩余速度的影响小。本研究为陶瓷防护装甲的结构设计提供了重要的理论依据和参考,具有实际应用价值。

含杂质超临界CO_(2)管道止裂分析及控制方案

管道输送作为CCUS技术的关键环节,在超临界高压环境下输送CO_(2)时,由于含杂质CO_(2)特殊的相特性,一旦发生泄漏,压力会维持较高值且温度急剧下降,输送管道易发生裂纹扩展,造成断裂事故。基于延长油田一期36×10^(4)t/a超临界CO_(2)管输预研方案,根据减压波速度计算模型和管道裂纹延性扩展止裂判据,采用修正后的Battelle双曲线法对管道进行止裂分析,对无法满足止裂要求的设计方案进行增加壁厚试算。结果表明:材质为X80、尺寸为Φ140 mm×6.0 mm的L12管线韧性值满足工况下裂纹控制的要求;而同样材质等级、壁厚组合为Φ168 mm×6.0 mm的L11管线所提供的止裂压力低于平台压力,无法保证管线发生裂纹延性扩展时能够自行止裂。对于L11管线,通过将管道壁厚增加至7 mm,其他设计参数不变,可以实现裂纹自行止裂。该研究可为实际工况下Battelle双曲线法在超临界CO_(2)管道断裂控制的应用提供理论基础与实际范例。

超临界CO_(2)管道止裂韧性预测模型研究

碳中和目标下,超临界态CO_(2)管道输送已成为碳捕集利用与封存(CCUS)技术发展的必然趋势。然而,目前超临界CO_(2)管道止裂控制体系尚未构建,管材止裂韧性难以预测,成为限制其广泛应用的瓶颈问题之一。针对该问题,通过归纳国内外相关文献及规范标准,对超临界CO_(2)管道止裂控制研究进展及最新标准体系进行了简要综述;在系统收集已开展CO_(2)管道全尺寸爆破试验信息及数据的基础上,对现有止裂韧性预测模型适用性进行了讨论,由此确定了CO_(2)管道止裂韧性预测模型修正形式,并对不同模型适用范围及预测结果进行了讨论。研究结果表明,建立的修正模型解决了传统止裂预测模型过于激进的问题,同时降低了DNV推荐方法的保守性。建议将修正模型与DNN预测方法相结合,以使管材韧性值处于止裂区域;同时开展高效准确的CO_(2)管道裂纹动态扩展数值模拟。所得结果可为我国CO_(2)管道止裂设计提供指导。

船用高止裂韧度特厚钢板EH47BCA工业研发

介绍了集装箱船用高止裂韧度特厚钢板EH47BCA的工业化研发。研发结果表明:采用NEU⁃Rolling往复相变控轧工艺能够更好地实现组织调控,与传统TMCP工艺比较,在全厚度的大角度晶界比例更高,组织更加细小均匀,表现出优异的低温韧性。研发的100 mm厚高止裂韧性EH47BCA钢在全尺寸拉伸断裂时表现出显著阻滞脆性裂纹传播的能力,形成了“多峰”分布的宏观断口,提高了钢板全厚度断裂时的止裂韧性,−10℃止裂韧性达到9041 N/mm^(3/2)。

超临界二氧化碳输送管道止裂预测模型研究进展

随着碳捕集、利用与封存技术的不断应用,超临界CO_(2)输送管道建设需求逐渐增大。然而,当前超临界CO_(2)输送管道止裂预测方法尚不完善,使得CO_(2)输送管道设计过程中止裂韧性难以确定,成为限制其广泛应用的瓶颈。以Battelle双曲线模型适用性验证为切入点,对已开展的CO_(2)输送管道全尺寸爆破试验进行了介绍,得到该模型对于超临界CO_(2)输送管道不再适用的结论;同时针对当前超临界CO_(2)输送管道止裂模型以及CO_(2)减压行为与管道断裂行为两个重要方面,就国内外最新研究进展进行了综述与讨论,并指出了当前各项研究中存在的问题。建议后续大规模开展全尺寸爆破试验,丰富爆破试验数据库,并重点开展管道动态断裂行为定量分析研究,以期为超临界CO_(2)输送管道止裂设计提供指导。

适用于CCUS的二氧化碳输送管道止裂韧性模拟计算研究进展

CO_(2)输送管道是CCUS技术中连接碳捕集和碳利用的纽带,但是由于CO_(2)的特殊物理性质和减压性质,使得管道的止裂控制成为制约CO_(2)输送管道安全运行的难题。基于动态断裂力学,从裂纹驱动力和阻力两个方面,深入介绍了CO_(2)输送管道止裂控制机理;对比分析了当前长输管道常用止裂韧性指标的优缺点,在参考较为成熟的输气管道止裂控制模型的基础上,总结得到了适用于CCUS工程应用的CO_(2)输送管道止裂韧性预测模型。对于国内外采用全尺寸爆破试验得到止裂韧性的局限性,提出了应进一步结合流固耦合数值模拟方法开展CO_(2)输送管道止裂控制研究的建议。归纳了目前常用的流固耦合数值模拟计算软件,对国内外采用的真实和简化流固耦合方法进行了介绍,从流体减压模型的建立、韧性断裂准则的选择、材料损伤力学模型的建立等方面对比了真实和简化流固耦合方法的优缺点,并进一步讨论了两种方法的适用情况。以期为CO_(2)输送管道止裂韧性计算提供参考,保障CO_(2)输送管道安全运行,为推进我国CCUS技术产业化提供帮助。

奥氏体晶粒细化对特厚EH47止裂钢组织性能的影响

常规工艺下特厚船舶用钢奥氏体晶粒细化的程度受限,导致极小尺寸奥氏体晶粒对钢板组织性能的影响尚不明确.利用二次奥氏体化法和热机械控制工艺,研究了细化奥氏体晶粒对特厚EH47止裂钢的显微组织演化及力学性能的影响.结果表明:试轧钢的加热温度从890℃升高至1050℃时,原奥氏体晶粒尺寸从14μm增加至28μm;铁素体含量的降低导致大角度晶界数量比例由57.4%降低至40.5%;马氏体/奥氏体(martenite/austenite,M/A)岛体积分数从2.0%增加至6.5%;钢板的屈服强度从440 MPa提高到488 MPa.890℃轧制钢板的单位体积有效晶界面积为269.0 mm-1,是其显微组织细化、均匀化,并在-100℃时具有241J的冲击功的重要原因.

EH47止裂钢过冷奥氏体等温相变行为

采用高分辨热膨胀相变仪研究了EH47止裂钢过冷奥氏体等温冷却条件下的相变行为,利用扫描电镜(SEM)对试验钢在不同相变条件下的微观组织特征进行表征,基于获得的膨胀量曲线变化规律及微观组织特征,讨论了试验钢在不同等温相变条件下过冷奥氏体的演变规律。结果表明:在40℃/s冷却速率下,试验钢的相变开始温度为628~636℃;当等温相变温度介于630~570℃时,试验钢过冷奥氏体在等温转变过程中出现相变不完全现象;当等温温度为600和570℃时,试验钢的相变产物为由针状铁素体(AF)、贝氏体铁素体(BF)、粒状贝氏体(GB)及马氏体(M)组成的复相组织;当等温温度为540、510和480℃时,试验钢相变产物为由AF、贝氏体(B)及GB组成的复相组织,M消失。对于试验用EH47止裂钢而言,为了获得由AF、BF及GB构成的复相组织,需保证等温温度介于540~480℃,等温时间不少于10 min,以避免相变产物中出现M等组织。

脉冲电流下对AL6061合金进行熔孔止裂与愈合的仿真研究

Al6061铝合金常应用于航空航天领域蒙皮制造,因其中等硬度与低强度的弱点,在承受复杂载荷时容易出现微裂纹,进而影响服役安全可靠性。脉冲电流是一种极速、非平衡的金属材料微小裂纹修复工艺,可以克服该材料不易焊接修复的短板。在既有的实验基础上建立单边预制裂纹缺口模型,采用有限元仿真手段,进行了热-电-力三场耦合数值模拟,计算不同参数下裂纹区域的电场、温度场和应力场分布。使用“生死单元”法模拟止裂熔孔的产生,并获得了不同几何、物理参数下止裂熔孔尺寸变化的规律。结果表明:焦耳热形成的止裂熔孔降低裂尖的集中应力,抑制裂纹扩展,裂纹区域高温区与基体常温区形成温度梯度相互约束产生巨大的热压应力促使裂纹宽度减小,进而直至愈合;初始熔孔尺寸与裂纹长度成正比、与板厚成反比,最佳尺寸直径为0.1 mm以内;电流值和电流加载时间均能控制熔孔生长,电流值一定时,当时间达到0.12 s形成的熔孔尺寸超出最佳止裂尺寸范围。研究成果为特定金属材料的裂纹止裂与愈合提供了机理参考和仿真方法。

压力管道延性断裂止裂可靠性分析

为保证压力管道的安全平稳运行,结合正态分布概率密度函数建立了单根钢管止裂概率的计算方法。基于BTC法和CSM公式对管道止裂韧性值进行了修正,在腐蚀速率的影响下考察了整条管道的裂纹止裂可靠性,并分析了不同裂纹扩展范围下的管道失效年限,最后将延性断裂风险和应力失效风险结果进行了对比。结果表明:增大夏比冲击功的均值,可提高单根钢管的止裂概率;在腐蚀速率为0.38 mm/a时,满足8根钢管可靠性标准的管道失效年限为15.2年,满足5根钢管可靠性标准的管道失效年限为15.8年;裂纹延性断裂比应力失效带来的风险更大,应重点关注高腐蚀区域管道的裂纹扩展。该研究可为制管技术指标的制定和在役管道运行的失效分析提供实际参考。

“离位”增韧在风电叶片叶根止裂中的应用研究

利用“离位”增韧技术,在沿用现有的风电叶根玻璃纤维轴向织物的原材料的基础上,研制附载聚芳醚酮-甲基吡咯烷酮(PEK-C/NMP)增韧织物试样件,选择PEK-C浓度、PEK-C的用量、附载织物打点面积为影响因素,以冲击后压缩强度为最重要指标,正交设计L9(34)进行工艺优化。结果显示,PEK-C浓度0.2 g/mL、PEK-C的用量为25 g/m^(2)、打点面积25%时为最佳增韧工艺参数;此方案能有效提高试验件冲击后压缩强度CAI性能45.20%,I型层间断裂韧性GIC性能11.23%、II型层间断裂韧性GIIC性能46.37%。通过增韧剂的优化和工艺的不断改进,可以在不改变风电叶片的生产工艺的前提下,能够显著提高玻璃纤维复合材料结构的界面断裂韧性,可有效阻止裂纹扩展,最终提高风电叶片叶根部件疲劳性能。

3Cr2W8V热疲劳裂纹的止裂与修复

运用电磁效应理论最新研究成果,采用脉冲放电方法,对3Cr2W8V热挤压凸模的热疲劳裂纹实施了止裂试验。止裂后的裂纹尖端变得十分圆整。达到了钝化止裂的目的。显微组织分析证明:止裂处出现了强韧性极高的超细化组织,改善了裂尖处的机械性能。止裂也为热疲劳裂缝刷镀修复创造了理想的先决条件。

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点,提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc,CEHFD),该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统,径向冲击CEHFD试样,完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计,用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明,在整个断裂过程中,裂纹非匀速扩展,裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升,在裂纹止裂前有明显的减速,与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子,其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻,得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中,动态扩展韧度为速度的函数,变化趋势与速度一致,随着时间先增大后减小;动态起裂韧度大于动态止裂韧度,止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低,并且有较大的离散性。

疲劳裂纹楔块法止裂技术实验研究与模型化

因裂纹疲劳扩展导致构件失效是工业结构、过程装备、大型机械以及飞行器等破坏的重要原因之一。为了延长设备使用寿命,提高安全性和可靠性,研究和开发阻滞裂纹疲劳扩展的技术非常必要。根据笔者多年来从事该领域研究的积累,结合国内外研究现状,笔者着重讨论了在裂纹体中施加楔块以阻滞裂纹疲劳扩展的方法。内容包括:楔块法止裂的力学机制、机理模型、实验研究以及数值计算与模拟等。对于穿透裂纹、表面裂纹,应用楔块法止裂均可以获得理想的止裂效果。而且楔块材料也得到了很大发展。按照裂纹构形、环境特征以及使用要求,楔块形状可以是棒、膜、块等。材料已发展为金属、聚合物等。加楔工艺也日趋成熟,具备了实际应用的条件。应用有限元法进行数值模拟成为近年来该领域研究的热点课题,能够从理论上提升楔块法的技术基础。最后,分析了楔块止裂技术研究工作存在的问题与不足,对今后进一步深入研究的重点提出了见解和参考意见。

TBM刀盘裂纹分析及止裂方案研究

针对TBM刀盘在破岩过程中出现表面裂纹而造成刀盘疲劳失效,从而引发施工风险和经济损失的问题,以辽宁大伙房水库输水隧洞所用MB264-311-8030mm型号TBM刀盘为研究对象,利用Abaqus进行有限元仿真,得到刀盘应力分布状况。基于Paris公式建立TBM刀盘的裂纹扩展模型,利用扩展有限单元法(XFEM)模拟裂纹的开裂过程,分析开裂路径和开裂时所需载荷的循环次数。提出通过安装筋板进行刀盘裂纹止裂的方案,并从筋板的安装位置、厚度、高度和宽度4个结构参数分别设置实验组,以未安装止裂筋板的刀盘作为对照组进行对照实验,计算不同结构参数下止裂板的止裂系数、裂纹长度和裂纹深度变化,评估不同实验组的止裂效果。研究结果表明:止裂筋板的结构参数明显影响了TBM刀盘表面裂纹的扩展速率,进而影响刀盘疲劳裂纹扩展寿命,合理地设计止裂筋板参数可有效延长疲劳裂纹扩展寿命,反之则会加速裂纹的扩展。经过多组对照后,采用安装位置距裂纹中心为5 mm,厚度为4 mm,高度为12 mm,宽度为6 mm的止裂板可将裂纹宽度和深度方向的止裂系数分别提升28.42%和27.86%,其中影响最显著的是距裂纹中心的安装位置和止裂板高度2个参数。研究可为实际隧道工程中TBM刀盘的止裂方案的设计与制定提供一定参考。

混凝土路面应力补偿止裂机理分析

众所周知预应力混凝土路面能够很好的解决混凝土路面的开裂问题,但是,如何对其施加预应力却无从下手,这样我们提出了斜向布置钢筋来防止水泥混凝土路面开裂,为了研究斜向布置钢筋在防止水泥混凝土路面裂缝中的应用效果,在进行大量试验研究的基础上提出了混凝土应力补偿止裂机理的理论和方法。在混凝土中布置斜向的钢筋,能够使路面在温缩时,横向变形补偿纵向变形的需要,达到止裂的目的。

裂纹尖端张开角及在输气管线止裂预测中的应用

介绍了一种近年来新发展的输气管线断裂控制参量———裂纹尖端张开角 (CTOA)的计算模型及方法。国际上计算输气管线动态断裂与止裂的PFRAC软件中视裂纹扩展速度为常数。针对这一问题 ,利用Alliance管线的实物爆破试验结果 ,通过分析和模拟提出了一种新的输气管线裂纹扩展速度的衰减模式 ,并引入到PFRAC计算程序中。采用改进的计算方法和程序 ,结合西气东输管线 ,研究了CTOA与止裂长度的关系 ,分析了输送压力、管材壁厚等因素对西气东输管线动态断裂及止裂的影响。

煤矿岩巷爆破掘进过程中周边眼对裂纹扩展止裂机理

周边眼在岩巷光面爆破中可以使巷道表面相对光滑完整,同时它对岩体内原生裂纹或爆生裂纹的扩展可能起到止裂的作用。为探究周边眼的止裂作用机理,针对爆破开挖过程中不同间距周边眼对原生裂纹扩展的止裂问题进行了实验及数值模拟研究。实验采用带中心装药孔、预制裂纹(原生裂纹)及两个简化周边眼的有机玻璃圆形试件,观测原生裂纹在周边孔止裂作用下的起裂-扩展-止裂效果。采用AUTODYN软件进行了数值模拟研究,岩石采用线性状态方程(EOS),强度模型为Elastic,失效准则为最大拉应力准则(MMTS),并在扩展路径附近设置观测点,以观测这些点的应力随周边眼间距变化的规律。通过实验及数值模拟结果分析得出:(1)在两周边眼间会产生与裂纹扩展方向垂直的压应力,对裂纹扩展的确能够起到止裂作用;(2)不同的周边眼间距,在周边眼间产生的压应力不同,导致不同的止裂效果;(3)周边眼间距越小,产生的压应力越大,对裂纹扩展的止裂效果越好。

电磁热效应裂纹止裂的实验研究

通过本文给出的实验表明 :利用电磁场的热效应对载流导体中的裂纹进行止裂是一种行之有效的方法 .在电磁场作用瞬间 ,由于裂尖处的热集中效应 ,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口 .由此 ,裂纹前缘处的曲率半径增加了 2～ 3个数量级 .同时 ,细化了裂纹前缘的显微组织 ,提高了材料的韧性 ,显著地减少了应力集中 ,阻止了干线裂纹源的形成 ,可有效地遏制了裂纹的扩展 .文中介绍了实验原理、方法和结果 ;讨论了一些参数之间的关系 .