纯氢长输管道环焊缝典型缺欠应力集中及适用性评价准则

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单位中石化石油工程设计有限公司;西安交通大学化工学院;钢铁研究总院有限公司;
来源油气储运
出版年2025
期号04
摘要
【目的】输氢管道是实现氢能长距高效利用的重要途径,长输管道通常由大量的环焊缝连接而成,焊缝缺欠是造成管道失效的高风险点,但目前尚无对长输纯氢管道施工中可能存在的环焊缝缺欠的风险评级及验收标准。【方法】通过对比国内外长输石油天然气管道环焊缝缺欠的分类评级标准,以适合中国标准的典型缺欠提取到的特征尺寸为基础,建立了L245管线钢含缺欠输氢管道有限元模型,分析研究缺欠尺寸、位置等因素对缺欠应力集中系数的影响。【结果】中国标准对于焊缝缺欠容限尺寸的限制普遍更为严格。在研究范围内,根部内凹缺欠的应力集中系数相对最高。对于圆形缺欠,其最大应力集中系数KTmax出现在直径为3 mm时,KTmax=2.74;对于条形缺欠,其最大应力集中系数出现在长度为25 mm时,KTmax=1.98;对于根部内凹缺欠,其最大应力集中系数出现在缺欠宽度为0.5 mm、深度为1 mm时,KTmax=3.58;对于错边量为3 mm的错边缺欠,其最大应力集中系数为2.62;附加弯矩会使直径为4 mm的圆形缺欠处的应力集中系数增大,高达3.97。【结论】埋藏的圆形缺欠、条形缺欠越靠近壁面,尤其是内壁表面,应力集中越显著。圆形缺欠尺寸越大,应力集中越显著,而条形缺欠的长度对应力集中影响不显著。错边量增大时,应力集中系数近似线性增大。根部内凹缺欠的宽度越窄、深度越深时,应力集中越显著。额外的弯矩作用会使缺欠处的应力集中显著增大。应力集中显著的焊接缺欠的存在,增加了在高压气态氢环境中服役管道的风险性,基于纯氢管道缺欠的应力集中定量分析,结合材料的氢脆敏感性随缺口应力集中系数变化的实验数据及工程运行经验,探讨了缺欠适用性评价准则。(图11,表1,参30)

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