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埋地长距离输气管道裂纹动态扩展及止裂研究
| 论文题名： | 埋地长距离输气管道裂纹动态扩展及止裂研究 |
| 关键词： | 长距离输气管道;内聚力模型;高速断裂;X80管线钢;止裂器;应力分布 |
| 摘要： | 由于管线钢不可避免地存在着原始缺陷，天然气管道在长期服役后有断裂甚至爆炸的风险。高钢级长距离输气管道的断裂速度较大，较难通过材料韧性自行止裂，可以安装止裂器进行强制止裂。本文以西气东输二期管道工程为例，研究了埋地天然气管道的受力和变形特征，分析了不同应变率下X80管线钢的材料变形行为，建立了应变率相关的弹塑性损伤本构模型和内聚力断裂模型，研究了X80长距离输气管道的裂纹扩展特征，研究了止裂器长度、厚度以及材料钢级对X80长距离输气管道裂纹止裂的影响规律。本文的主要工作如下： (1)基于Marston土压力理论分析了埋地天然气管道的土压力分布特征，利用Drucker-Prager屈服准则和有限元计算，研究了覆土和内压作用下埋地天然气管道的应力分布和变形特征，分析了埋地深度对管道受力和变形的影响规律。 (2)分析了应变率对单轴拉伸下X80管线钢弹性模量、抗拉强度和屈服应力的影响规律，利用Mises应力和应变率相关的强化函数，建立了X80管线钢的弹塑性本构模型，对不同应变率下X80管线钢的单轴拉伸实验进行了数值计算；利用等效塑性应变相关的损伤变量建立了X80管线钢的材料损伤模型，对单轴拉伸下X80管线钢的应变软化行为进行了数值计算。 (3)利用内聚力模型建立管线钢的断裂准则，建立了与韧性断裂相适应的内聚区损伤演化法则。利用所建立的弹塑性损伤本构模型和内聚力模型，以西气东输二期管道工程为例，对X80长距离输气管道的裂纹动态扩展行为进行了有限元模拟，分析了该输气管道的裂纹扩展速度、裂纹张开角、塑性耗散能随时间的演化关系。 (4)对安装止裂器后X80长距离输气管道的动态断裂与止裂行为开展了有限元模拟，分析了止裂器厚度、长度以及材料钢级对输气管道裂纹止裂的影响规律，分析了止裂过程中断裂速度与塑性耗散能随时间的演化特征。计算结果表明，止裂器厚度取为1倍输气管道厚度时更为经济，并且X100钢级止裂器的止裂效果略优于X80钢级止裂器；当止裂器具有较大厚度和较小长度时，裂纹可能越过止裂区导致止裂失效。 |
| 作者： | 杨茜 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 任中俊 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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