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。

基于CCUS的超临界CO_(2)管道止裂韧性研究进展

CCUS(CO_(2)捕集、利用与封存)作为一种应对全球气候变暖的关键技术,已得到国际社会的广泛认可与重视,而CO_(2)的管道运输是该技术的关键环节。为应对管输CO_(2)存在的工质泄漏的安全问题,开展CO_(2)管道止裂韧性研究已成为热点。结合国内外超临界CO_(2)管道止裂韧性研究的相关文献,总结分析了管道止裂原理,梳理了相关止裂方法,针对当今应用最为广泛的方法——Battelle双曲线法进行归纳分析,依次介绍管内介质减压波和管道裂纹扩展相关研究,并对这两部分内容分别从理论和实验两方面综述。同时,对CO_(2)管道设计规范和标准进行了总结分析。对CO_(2)管道减压波和管道裂纹扩展两方面亟需解决的科学问题进行了说明,对未来开展的研究内容进行了展望,以期为中国CO_(2)管道安全运输提供合理建议,填补CCUS技术空缺。

密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性计算分析

针对密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性预测是研究的热点和难点,且已有的止裂韧性预测模型尚不能准确预测密相/超临界CO_(2)管道的止裂韧性等问题,对现有模型进行对比分析。介绍了目前常用的BTC修正、DNV F104-2021以及ISO 27913—2016方法,同时采用此3种方法分别计算了外径323.9 mm密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性,并对比分析计算结果。结果表明,现有的模型和计算方法都存在着数据不足、精准度较低的缺点,目前无法推荐特定的分析模型来评估密相/超临界CO_(2)管道中的延性裂纹扩展。DNV F104方法基于现有全部CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据,其计算结果相对较为保守,对后续开展全尺寸试验的指导性更强。研究结果可为小口径密相/超临界CO_(2)管道的全尺寸爆破试验设计提供理论依据。

输送工艺参数对密相/超临界CO_(2)管道止裂韧性的影响

为了研究密相/超临界CO_(2)输送管道的止裂性能,以密相/超临界CO_(2)长输管道断裂控制为研究目标,针对实际工况,基于GERG-2008状态方程、BTC双曲线模型和X65管道,计算分析了燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧燃烧捕获三种捕获方式下CO_(2)气质组分、初始温度、初始压力、管径和设计系数等对压力温度(P-T)状态、减压波曲线、止裂韧性的影响。结果发现,杂质组分的增加以及提高初始温度、增大管径、增大设计系数会导致密相/超临界CO_(2)输送管道止裂韧性增加;而提高初始压力会导致密相/超临界CO_(2)输送管道止裂韧性降低;燃烧后捕获产生的CO_(2)混合物输送管道所需的止裂韧性最小,富氧燃烧捕获产生的CO_(2)混合物输送管道所需的止裂韧性最高。该结果可为CO_(2)管道设计和工程应用提供理论依据。

油气输送管的止裂韧性研究

通过楔子横向加载，用ＣＣＡ试样研究了油气输送管的止裂韧性。显然止裂韧性是一顶重要的材料参数。试验结果表明，止裂韧性Ｋａ与夏比冲击吸收能ＣＶＮ之间存在如下关系：Ｋａ＝０．０１０３ＣＶＮ２＋１．２７０３ＣＶＮ＋１４．１４６。裂纹扩展长度取决于应力场强度因子的变化：Ｋ０－Ｋａ＝２５７１．９ａ－１０４．１４。

δ_5间接测量法测试管线钢止裂韧性CTOA试验研究

为解决多数实验室不具备δ5专用夹式引伸计而无法实现δ5间接测量法对裂纹尖端张开角CTOA的测试问题,该文另辟蹊径借鉴直接法测试CTOA中的数值图像相关方法,通过工业摄像机采集试样撕裂过程图像,然后在图像上直接测试δ5和裂纹扩展量Δa,进而求得裂纹尖端张开角CTOA。采用该方法重点测试3件X80管线钢试样的稳态裂纹扩展阶段临界CTOA值(CTOA)c,并依据试验断裂形式从原理上分析试验结果的有效性,确认被测X80管线钢的(CTOA)c为10.32°。

钢的动态断裂韧性及止裂韧性的研究现状

根据国内外关于动态断裂力学性能的研究文献,对动态断裂韧性KId(JId)及止裂韧性的研究现状进行了概括总结。

显微形貌法用于管线钢止裂韧性参数CTOA测试的研究

详细介绍了一种目前国内外研究较少的CTOA测试方法—显微形貌法的测试原理,并以紧凑拉伸试样为研究对象,将显微形貌法表面分离函数进行了简化。采用简化后计算公式计算得到被测X80管线钢试样正、反两面的稳态扩展临界CTOA值,即(CTOA)C分别为10.90°和10.65°,取二者平均值10.78°作为被测试样的(CTOA)C,相对其他CTOA测试方法的单侧表面测试结果更具说服力。

天然气管道止裂韧性预测模型的统计分析

采用最小二乘法对全尺寸管道断裂数据进行了分析 ,研究了工作压力、管道直径、壁厚等参数对止裂韧性预测的影响。结果表明 ,现有止裂韧性预测模型在较高钢级管道止裂韧性预测中产生较大误差 。

高韧性管线钢止裂韧性参数CTOA测试方法研究进展

裂纹尖端张开角(CTOA)已被应用于高韧性管线钢的止裂韧性评定。简要介绍了裂纹尖端张开角CTOA的定义,详细介绍了目前使用较广的4种CTOA测试方法,即稳态撕裂时直接测量法(光学显微和数值图像相关方法)、试验后测量(显微形貌法)、有限元法和通过δ5间接测量法,并对这几种方法的适用性及存在的问题进行了探讨,为CTOA测试方法的推广应用及今后进一步的丰富与完善打下了基础。

MTS万能材料试验机在石油管材止裂韧性测试中的应用

建立起以MTS810.15万能材料试验机为主体的材料止裂韧性试验装置,对石油天然气输送管材进行了平面应变止裂韧性(K_(la))测试.结果表明可以运用MTS万能材料试验机进行材料止裂韧性试验,并对材料的止裂韧性进行了分析探讨.

上海城市天然气高压管线断裂止裂韧性值探讨

介绍了输气钢管的延性断裂和止裂,止裂韧性计算的公式以及几条典型管线的止裂韧性要求,并且讨论了上海天然气主干管网工程用螺旋焊管韧性指标值。

BTC方法应用于CO_(2)管道止裂韧性计算的可行性

[目的]CCUS(Carbon Capture, Utilization and Storage)技术对实现“碳中和”战略目标具有至关重要的作用,而管道输送作为CCUS产业链的关键环节,面临的主要挑战之一是密相CO_(2)管道延性裂纹止裂问题。[方法]从裂纹止裂控制机理出发,深入调研了巴特尔双曲线(Battelle Two-Curve, BTC)方法的研究进展,并剖析了其应用于天然气管道止裂控制的技术现状及局限性。针对裂纹止裂韧性BTC修正方法,从夏比冲击吸收能量、落锤吸收能量及裂纹尖端张开角3个角度进行评述,根据密相CO_(2)的特性,探究了BTC方法应用于CO_(2)管道止裂韧性计算的可行性。[结果]借鉴应用于天然气管道止裂控制的BTC修正方法,基于管道裂纹动态延性扩展止裂设计判据中的速度判据,从驱动力与阻力两个方面,提出了BTC应用于CO_(2)管道裂纹止裂控制的修正方法。CO_(2)管道全尺寸爆破试验是目前确定密相CO_(2)管道止裂韧性最有效的方法,根据前人研究中CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据,提出了BTC方法的修正系数范围,为CO_(2)管道的安全运行、CCUS技术的规模化应用提供了参考依据。[结论]利用BTC修正方法计算密相CO_(2)管道止裂韧性的研究尚处于起步阶段,虽然基于CO_(2)管道全尺寸爆破试验数据得到了BTC方法的修正系数,但可供参考的试验数据较少且适用范围有限,今后可以进一步结合数值模拟研究,提出更有效的修正方法。

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)。

高强度厚钢板止裂韧性K_(ca)与常规力学性能的相关性分析

统计分析了28组采用TMCP工艺制造的高强度厚钢板-10℃止裂韧性K_(ca)与屈服强度R_(P0.2)、抗拉强度R_m、-40℃冲击功KV_2、-20℃和-40℃动态撕裂能DTE、零塑性转变温度T_(NDT)的相关性规律,结果表明,-10℃止裂韧性K_(ca)与心部抗拉强度R_m和侧面零塑性转变温度T_(NDT)的相关度较高,随着心部抗拉强度R_m的增高和侧面零塑性转变温度T_(NDT)的降低,-10℃止裂韧性K_(ca)增大;在此基础上建立了-10℃止裂韧性K_(ca)与心部抗拉强度R_m、侧面零塑性转变温度T_(NDT)和板厚t的相关性方程K_(ca)=13.358·R_m-90.530·T_(NDT)-7.324·t^(1.5)或K_(ca)=13.427·R_m-74.845·T_(NDT)-0.635·t^2。

船体钢止裂性能表征参量止裂温度和止裂韧性的对比分析

基于AH36、EH36和FH500三种船体钢的梯度温度场型双重拉伸试验结果,对止裂温度和止裂韧性分别作为止裂性能表征参量的特点进行了分析。结果表明,与止裂韧性相比,止裂温度测试稳定性好、工程适用性好,更宜作为船体钢止裂性能的工程应用表征参量。

集装箱船用高强度厚钢板止裂韧性指标值的初步实验验证

针对大型集装箱船用85 mm和90 mm高强度EH40和EH47厚钢板,结合最大设计应力和不同止裂韧性值对应的温度,开展了等温型双重拉伸试验,以验证止裂韧性技术指标值(板厚>80 mm时-10℃下止裂韧性Kca≥8 000 N/mm^(3/2))的有效性。结果表明,对于试验用高强度厚钢板,在-10℃、K_(ca)=8 000 N/mm^(3/2)条件下,钢板能够止裂,技术指标值有效。

高强度厚钢板止裂韧性K_(ca)影响因素分析

统计分析了26组采用TMCP工艺制造的高强度厚钢板-10℃止裂韧性(K_(ca)^(-10℃))与碳当量(C_(eq))、晶粒度(GS_)、磷含量(w(P))和板厚(t)的相关性规律,结果表明,提高碳当量、增大晶粒度、降低杂质元素磷的含量、减小板厚均有利于止裂韧性的提高,在此基础上建立了止裂韧性与碳当量、晶粒度、磷含量和板厚的回归方程:K_(ca)^(-10℃)=23 443.45·C_(ep)+276.51·G_S-0.77·w(P)·t^3-2.75·t^(1.5)。

止裂韧性K_(ca)的测试结果不唯一性证明

针对国际船级社规范UR S33《Requirements for use of extremely thick steel plates》中规定的止裂韧性Kca的测试要求,基于包含温度场参量的计算式证明了止裂韧性Kca测试结果存在不唯一性。

国外输气管线止裂韧性预测的研究进展

回顾了输气管线的止裂研究工作,表明对于高韧性高压力管线,采用原有的止裂预测模型不准确且有风险。介绍了国外各大研究机构提出的改进方法,并在此基础上提出研究发展趋势,旨在为现有管道建设提供参考。