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35CrMoA螺栓应力腐蚀断裂数值模拟与断裂临界应力强度因子的研究

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 螺栓应力腐蚀断裂研究的进展

1.3 本论文的研究内容

第二章应力腐蚀的基本概念

2.1 应力腐蚀开裂概述

2.1.1 应力腐蚀开裂

2.1.2 应力腐蚀开裂的机理

2.2 湿硫化氢环境下的应力腐蚀开裂

2.2.1 硫化物应力腐蚀的定义

2.2.2 硫化物应力腐蚀的总体特征

2.2.3 硫化氢应力腐蚀的影响因素

2.2.4 湿硫化氢环境下的应力腐蚀开裂形式

2.3 应力腐蚀裂纹扩展速率

第三章圆柱体表面平直裂纹应力强度因子有限元分析

3.1 有限单元法

3.1.1 普通单元法

3.1.2 特殊单元有限元法

3.2 应力强度因子的计算

3.3 含裂纹的有限元模型的建立

3.3.1 子模型技术

3.3.2 建模过程

3.4 含裂纹的有限元模型的分析

3.4.1 应力强度因子K求解步骤

3.4.2 形状因子F1

第四章35 CrMoA螺栓应力腐蚀断裂临界应力强度因子试验设计

4.1 硫化物应力腐蚀开裂试验研究方法

4.2 含缺陷构件的应力腐蚀断裂失效判据

4.3 应力腐蚀临界开裂强度因子值的计算

4.3.1 应力腐蚀开裂临界强度因子值的唯一性

4.3.2 应力腐蚀开裂临界强度因子值的工程计算方法

4.4 外加载荷大小和预制裂纹深度的确定

第五章35 CrMoA螺栓应力腐蚀断裂临界应力强度因子试验研究

5.1 引言

5.2 试验原理和目的

5.2.1 试验原理

5.2.2 试验目的

5.3 试验用螺栓材料的化学成分及机械性能

5.3.1 化学成分分析

5.3.2 力学性能测试

5.3.3 硬度分析

5.3.4 金相组织分析

5.4 试验内容

5.4.1 试件的制备

5.4.2 试验装置

5.4.3 试验介质的配置

5.4.4 试验方案

5.5 试验结果

5.5.1 轴向应力与断裂时间的关系

5.5.2 断裂过程分析

5.5.3 35CrMoA螺栓Kcr的估算

第六章总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致 谢

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摘要

35CrMoA是一种高强度低合金钢,常用于制造石化设备中的高强度螺栓。由于石化设备常接触含有H2S介质,所以研究35CrMoA螺栓在湿硫化氢环境中应力腐蚀断裂,对于石化设备的长周期安全运行具有重要意义。 本文以断裂力学基本理论为基础、以数值模拟方法为手段,通过在裂纹前沿设置奇异单元,建立了圆柱体表面平直裂纹的断裂力学有限元分析模型,模拟了螺栓断裂过程中裂纹处的力学状况。计算了轴向载荷作用下裂纹前沿的应力强度因子,并拟合了便于工程应用的相关公式。通过对数值模拟结果的分析,确定了试验时螺栓预制裂纹的长度和外加载荷的大小。在自行设计的应力腐蚀试验装置中,用NACE标准溶液,进行了湿硫化氢环境下35CrMoA螺栓的应力腐蚀试验。 试验结果表明:35CrMoA螺栓在湿硫化氢环境中会发生应力腐蚀断裂,发生断裂的时间(寿命)随着所受轴向应力的增大而缩短。本文得到了轴向应力与断裂时间(寿命)之间的关系,并通过对断口的分析,估算了35CrMoA螺栓发生应力腐蚀破断的临界应力强度因子Kcr。 本文的研究结果对于石化设备安全运行及应力腐蚀机理研究有重要参考价值。

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