H-,2-S環(huán)境中疲勞裂紋擴展速率數(shù)學(xué)模型的建立及行為研究.pdf

1、腐蝕疲勞是結(jié)構(gòu)在交變載荷和腐蝕環(huán)境共同作用下的一種失效形式。西氣東輸管線做為國家“十五”重點工程之一，在工作時承受氣體波動和腐蝕環(huán)境的雙重作用，為典型的腐蝕疲勞工作狀態(tài)。
　　 以國內(nèi)大量應(yīng)用的天然氣運輸材料X70管線鋼為對象進行實驗研究。在西氣東輸管道實際工況的基礎(chǔ)上，選取不同硫化氫濃度(2000ppm、1000ppm、500ppm)，不同應(yīng)力比(0.9、0.8、0.7)，不同加載頻率(0.013Hz、0.01Hz、0.006

2、7Hz)為實驗參數(shù)。在保證實驗數(shù)據(jù)可靠性的前提下，使用正交實驗法設(shè)計實驗。歷時兩年得到包含空氣中裂紋擴展速率的da/dN～△K曲線10組。對da/dN～⊿K曲線的穩(wěn)定擴展段進行Paris擬合，分別得到空氣中和腐蝕環(huán)境下的疲勞裂紋擴展速率表達式。實驗數(shù)據(jù)顯示腐蝕環(huán)境中的da/dN比空氣中的da/dN至少高一個數(shù)量級；高濃度，高應(yīng)力比，低頻率下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率最快。
　　 以實驗為依據(jù)，建立一種全新的，同時對Paris公式中C

3、和n兩個參數(shù)均進行修正的腐蝕疲勞裂紋擴展數(shù)學(xué)模型：(da/dN)corr=A.Cair(△K)B-nair。與傳統(tǒng)的Paris公式相比，該模型同時反映了應(yīng)力比、頻率、環(huán)境介質(zhì)濃度對雙log空間內(nèi)裂紋擴展速率曲線截距以及斜率的影響。反映截距變化的修正因子A在高頻率段主要受應(yīng)力比的影響；在低頻率段同時受到了濃度和頻率兩方面的影響。反映斜率變化的修正因子B主要受到頻率的影響，應(yīng)力比和環(huán)境介質(zhì)濃度對修正因子B的影響很小。
　　 分析各項

4、因素的耦合作用對腐蝕疲勞裂紋擴展性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，在硫化氫環(huán)境中，X70鋼的疲勞裂紋擴展速率受應(yīng)力比的影響極大。在高應(yīng)力比低濃度區(qū)域，裂紋擴展速率隨著濃度的增加而急劇增加，在高濃度區(qū)域，裂紋擴展速率對濃度不敏感。頻率方面，當(dāng)頻率較高時，頻率對裂紋擴展速率的影響較?。憾?dāng)頻率降低到一定范圍后，裂紋擴展速率會隨著頻率的降低而急劇升高。
　　 使用微觀手段，進一步驗證影響腐蝕疲勞裂紋擴展性質(zhì)的因素。腐蝕疲勞試件斷口的SEM觀察結(jié)果

5、顯示，隨著應(yīng)力比的減小，韌性斷裂特征在試樣斷口中的比重逐漸加大。高濃度下的試件斷口形貌相似，均以脆性解理斷裂為主；隨著腐蝕介質(zhì)濃度的降低，塑性特征增強。低頻率下的試件斷口脆性特征明顯；高頻率下的兩個試件斷口形貌相似，韌窩數(shù)量均多于低頻率下的斷口。
　　 以邊界元法為基礎(chǔ)，應(yīng)用FRANC3D軟件模擬腐蝕疲勞裂紋擴展過程。通過模擬實驗過程，驗證了邊界元法的可行性。對實際工況下含缺陷的西氣東輸管道進行壽命評估。結(jié)果顯示，腐蝕環(huán)境的添加