由小川 研究生——超高压钢制输气管道裂纹韧性减速机理的研究

申请清华大学工学博士学位论文

题目：超高压钢制输气管道裂纹韧性减速机理的研究

培养单位：清华大学工程力学系

专业：固体力学

研究生：由小川

指导教师：范钦珊  教授

副指导教师：庄 茁  教授

摘要

管道轧制、焊接和铺设工艺中形成的缺陷在内部高压气体的作用下发生扩展是导致输气管线开裂的主要原因。防止裂纹在管道上进行快速扩展是防灾减灾的生命线工程。超高压钢制管道的研制对材料的韧性提出了更高的要求，并直接导致了部分原有经验模式的失效。

本文运用动态断裂力学中宏观唯象的研究方法结合有限元模拟，将动态断裂力学的基本原理、基本方法和止裂判据与壳体动力学的有限元方法结合起来，利用气体压力模式确定管壁承受的载荷，形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。

对于高韧性钢，塑性功卸载引起的热耗散不可忽略。为此根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程，在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率为主要构成的动态断裂韧性由实验测得，在计算中作为裂纹扩展速度的函数代入，替代原有的稳态扩展模式，形成韧性减速机理。

为了测定计算需要的参数，推导了双试件DWTT法测定热耗散比率的公式，并将其推广到常用的CVN和DWTT实验。考查了具有上台能的高韧性钢的CVN和DWTT韧性值随温度的变化以及相互关系，分析了断口分离与能量平台的形成原因，结合具体材料进行了实测。

利用有限元程序求解瞬态裂纹扩展的CTOA，结合（CTOA)C的实验测定，形成判断止裂的几何判据，从根本上解决CVN和DWTT方法在测定高韧性管道时的尺寸效应和无关能量散失。

数值求解了伴随裂纹扩展的高压气体逸出形成的复杂流场。选择S-A湍流模型，利用有限体积法在非结构性网格下对非定常可压缩的Navier-Stokes方程进行了离散和求解。裂纹扩展达到可忽略回流区影响的长度后，对超高压管道的求解结果与气体压力线性衰减模式吻合良好，衰减长度可近似取1.5倍直径。解得的压力分布可应用于动态断裂程序以提高裂纹扩展与止裂的模拟精度。

本项目的研究成果为国家西部开发的重点项目西气东输工程提供了可靠性评估的依据。

关键词：动态断裂，减速机理，数值模拟，韧性实验，输气管道

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