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环氧套筒修复含环向表面裂纹管道的试验研究与安全评定

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 断裂力学发展及表面裂纹研究现状

1.2.2 管道安全评定方法的发展及研究现状

1.2.3 管道修复技术简介

1.3 研究的主要内容

第2章 断裂力学基础理论及相关试验原理

2.1 线弹性断裂理论分析

2.1.1 能量释放率

2.1.2 应力强度因子

2.2 弹塑性断裂理论分析

2.2.1 COD理论

2.2.2 J积分

2.3 相关试验原理

2.3.1 LVDT工作原理

2.3.2 电位法确定裂纹起裂点原理

2.4 本章小结

第3章 含裂纹管道内压+弯矩加载试验

3.1 试验方案的拟定

3.2 试验一:环向非等深短裂纹试验方案

3.3 试验一数据分析

3.3.1 裂纹两侧中部轴向应变分析

3.4 试验二:环向90度等深长裂纹试验方案

3.4.1 电位法及LVDT测点安装方法

3.5 试验二数据分析

3.5.1 不同深度裂纹中部轴向应变对比

3.5.2 同一深度裂纹不同位置轴向应变对比

3.5.3 裂纹嘴张开位移与裂纹中部轴向应变对比

3.5.4 电位法结果分析

3.6 试验三:环向120度等深长裂纹试验方案

3.7 试验三数据分析

3.7.1 裂纹嘴张开位移与裂纹中部轴向应变对比

3.8 本章小结

第4章 环氧套筒对管道环向表面裂纹修复效果评估

4.1 试验方案

4.2 修复前后数据对比

4.3 本章小结

第5章 BS7910安全评定

5.1 BS7910简介

5.2 安全评定过程

5.2.1 1A级评定

5.2.2 2A级评定

5.2.3 评定参数的确定

5.3 评定结果分析

5.3.1 1A、2A级评定容许载荷分析

5.3.2 不同内压弯矩组合载荷下裂纹管道的安全裕量分析

5.4 本章小结

结论和展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目

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摘要

油气管道在我国形成了一个庞大的管道输送网络体系。随着服役年限的增加,油气管道显现出各种焊接类、材料类、腐蚀类缺陷。管道修复已经成为油气运输过程中的一项必不可少、经常性的工作,每年需投入大量的人力物力。裂纹嘴张开位移(CMOD)对于表面裂纹是一个公认的断裂参量,管道修复之后,管道表面裂纹被修复材料覆盖,CMOD很难测量,无法评估修复效果。而修复前后,应变均可用应变计测得。所以本文设想探索裂纹周边区域的应变特征,建立应变变化趋势与CMOD变化趋势的关系,用应变趋势评估环氧套筒对环向表面裂纹的修复效果。
  首先,开展了含环向短裂纹管道内压+弯矩的加载试验,研究了裂纹周边区域的应变特征。研究结果表明:裂纹中部轴向应变随弯矩增大,存在由正变负,不断减小的趋势。之后,开展了含环向90度等深裂纹管道的内压+弯矩加载试验。试验采用了线性可变差动变压器测量CMOD,并通过测试裂纹两侧电压,动态监测裂纹起裂对应的载荷条件。通过分析试验数据,验证了裂纹中部轴向应变随弯矩增大而不断减小的非偶然性。研究了CMOD与裂纹中部轴向应变的关系,结果表明:CMOD与裂纹中部轴向应变存在一定的线性关系。为了进一步研究裂纹中部轴向应变与CMOD之间的关系,进行了含环向120度等深裂纹管道内压+弯矩加载试验,结果表明:环向120度等深裂纹的CMOD与裂纹中部轴向应变也存在一定的线性关系。由此建立了应变变化趋势与CMOD变化趋势的关系。最后,通过环氧套筒修复试验,对比修复前后裂纹中部轴向应变随弯矩的变化趋势,验证了用裂纹中部轴向应变趋势评估环氧套筒对管道环向表面裂纹修复效果的可行性。
  为了研究不同内压+弯矩组合载荷下管道环向表面裂纹的安全性,用英国标准BS7910对试验一中母材裂纹进行初步安全评定,得到含环向表面裂纹管道的容许载荷,并计算了不同内压+弯矩组合载荷下各评定点的安全裕量。根据试验一中得到的裂纹中部轴向应变,也计算了不同内压+弯矩组合载荷下裂纹的安全裕量,并将两种方法得到的安全裕量进行对比。

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