含裂纹高压注蒸汽管道的断裂参数计算与试验研究.pdf

第!" 卷第# 期石油工程建设"!
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含裂纹高压注蒸汽管道的断裂参数!
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计算与试验研究!
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基金项目:中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目($$%&"#’(%) !
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王炳英!,闫相祯"#
( ")石油大学机电工程学院,山东东营(*+%,";()石油大学储建工程学院,山东东营(*+%,")
摘要:应力腐蚀是引起注蒸汽管道失效破裂的主要原因,为了更好地揭开裂纹与应力之间的关
系,采用有限元软件计算了含裂纹管道断裂参数( 型裂纹的应力强度因子)和积
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分值,并分析了裂纹开裂长度、注蒸汽压力对裂纹尖端断裂参数的影响。结果表明,裂纹开裂长
度对管道破裂影响最大。对于相同尺寸的裂纹,大管径材料具有较大的和积分值,因此,
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大管径材料对缺陷更敏感。
关键词:高压注蒸汽管道;应力腐蚀;裂纹;应力强度因子;研究
中图分类号:23 $+!)%" 文献标识码:- 文章编号:"%%"’((%,((%%*)%#’%%"!’%!
! 引言的回路积分数值与积分回路无关,具有积分守恒
注蒸汽管道是稠油热采所需的主要管道,近性。" 积分的守恒性可以在分析中避开裂纹尖端这
年来,关于稠油热采注蒸汽管道发生爆裂失效事个难以直接严密分析的区域。本文利用" 积分的回
故时有报道4"’!5, 应力腐蚀是引起注蒸汽管道失效路线积分定义式(见图")来求解其值。
破裂的主要原因,为了更好地揭开裂纹与应力之
间的关系,本文采用断裂力学方法,研究裂纹尖
端的断裂参数,为注蒸汽设备避免发生应力腐蚀
破裂提供理论依据。
" 断裂参数数值模拟的理论基础4#5
应力强度因子是代表裂纹尖端区域应力场强
弱程度的惟一参量。根据线弹性断裂理论,1、!、
"型裂纹各应力分量的表达式可以写为下面的通
式:
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( ") ( )
# 6 !(& )’($) (") " 6 ’8(’+8, (
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式中——裂纹尖端的应力状态;
##$ 式中’——回路上任意一点的应变能密度;
、——极坐标值;
& $ +——回路上任意一点的应力分量;
( )——极坐标的函数表达式;
’#$ $ $ ,——回路( 上的弧元。
——表征奇异性应力场强弱程度的参数。
!% # 有限元模型的建立
因为裂纹尖端的半径非常小,当时,
& ! % ##$ 根据现场实际情况,从不同现场选取# 种不
! 7,即应力场在裂纹尖端处具有奇异性,%型同厂家的管道材料,其工作条件一般为管内温度
裂纹较为常见,并且危害性较大,所以本文研究
!*% 9,管内压"& :;<。利用-./0/ 软件4*5,对实
型裂纹的应力强度因子。
% !% 际工作条件下的管道进行应力应变场和断裂参数
" 积分是弹塑性力学中一个十分重要