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原文传递在役高强钢管道环焊缝裂纹内检测与安全性评价技术研究

论文题名：	在役高强钢管道环焊缝裂纹内检测与安全性评价技术研究
关键词：	高强钢管道;环焊缝裂纹;漏磁内检测;超声内检测;安全性
摘要：	本文聚焦当前在役高强钢管道环焊缝失效频发，致使天然气泄漏、着火、爆炸，从而造成人员伤亡和环境破坏等严重后果问题，结合国内外高强钢管道环焊缝缺陷内检测和安全性评价技术现状，分析在役高强钢管道焊接结构安全保障关键技术需求，提出环焊缝裂纹内检测和安全性评价技术研究思路和方法。　　环焊缝裂纹内检测技术方面，通过开展牵拉试验和真实管道内检测及开挖验证，对比分析了应用漏磁内检测和超声内检测对于环焊缝裂纹探测和尺寸量化的适用性；通过实验室单探头及探头阵列相关试验研究，证实了电磁涡流技术可用于在役油气管道环向表面类裂纹缺陷内检测。　　安全性评价方面，建立了基于特定失效评估曲线的在役高强钢管道环焊缝缺陷评价方法，开展了有限元模拟、宽板拉伸和全尺寸内压+弯曲复合加载试验；基于Monte-Carlo方法定量评估了典型工况下在役高强钢管道环焊缝结构失效的概率，并分析了缺陷深度、断裂韧性、屈服强度等参数的概率分布对管道环焊缝结构完整性的影响；提出了基于压痕应变法计算在役高强钢管道环焊缝残余应力和所承受载荷的方法，为安全性评估获取外部载荷参数提供理论支撑。　　本文取得的主要研究成果包括：　　（1）对比分析第4代漏磁内检测设备（MFL4）和超声环向裂纹内检测设备（USCCD）对于环焊缝裂纹检测的适用性。MFL4对于未熔合和未焊透、有一定开口宽度的咬边和局部壁厚减薄等体积型环焊缝缺陷较为敏感，而对封闭或开口狭窄（≤1mm）的小尺寸裂纹则较难检出；USCCD对裂纹边界较为敏感，但现场实践发现该技术极易受到不规则焊缝成型的干扰，致使缺陷误报率偏高；上述两种技术虽均可检测到壁厚变化位置的环焊缝缺陷，但检测精度较差，且对于斜接环焊缝位置的缺陷检出率也较低。　　（2）利用涡流检测的原理，设计了电磁涡流无损检测设备试验平台，开发了高速涡流信号采集装置和缺陷信号成像分析软件，实现了检测速度达3.2m/s且表面类裂纹缺陷识别信噪比可达30dB的技术突破，并基于提离值、检测速度和自动化检测信号可识别性等主要技术指标，证实了电磁涡流技术适用于油气管道环向表面类裂纹缺陷内检测，很好地克服了漏磁和超声内检测设备对于封闭或开口狭窄的表面类裂纹检测率偏低的技术局限性。　　（3）开展了X80钢管道环焊缝特定失效评估曲线和断裂韧性确定方法的研究，并通过有限元模拟、宽板拉伸和全尺寸内压+弯曲复合加载等试验，验证了特定失效评估曲线（FAC）和断裂韧性确定方法对在役高强钢管道环焊缝缺陷评价的适用性。通过大量在役高强钢管道环焊缝材料性能试验测试和缺陷开挖无损检测的数据统计分析，给出了在役高强钢管道环焊缝抗拉强度、冲击功、缺陷深度等评价参数的概率分布特征，并采用Monte-Carlo方法对典型工况进行失效概率评估，定量分析了安全性评价参数的敏感性。　　（4）针对在役管道环焊缝安全性评估所需服役载荷难以获取的问题，首次提出了应用压痕应变法测量在役高强钢管道远端（距离环焊缝较远）和焊缝近缝区应变，并通过二者相减的方法以获得在役管道环焊缝轴向焊接残余应力与外部轴向载荷的解决方法；并结合压痕法测量技术全面获取在役管道焊接接头微区断裂韧性、屈服强度、抗拉强度等主要力学性能，为全面准确地评估在役管道环焊缝安全性提供了理论支撑。
作者：	戴联双
专业：	材料科学与工程;材料加工工程
导师：	王东坡
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2020