摘 要

以往，对于石油运输管道缺陷的研究大多只考虑了单裂纹问题，但是对含多裂纹管道的应力强度因子的相互干涉的规律研究还不够成熟。由于裂纹之间的相互干涉，多裂纹中裂纹的应力强度因子会比单裂纹时的应力强度因子高，因此评估管道安全性时仅仅考虑单裂纹的影响并不够准确，多裂纹之间的相互干涉作用是预测裂纹的扩张、评估结构的安全性和耐久性、节省大量人力物力财力的重要内容和关键技术，具有重要的理论和现实意义。本文釆用大型有限元分析软件ansys建立三维多裂纹管道模型，并计算出三维管道表面裂纹的应力强度因子的有限元解，通过改变裂纹参数来找出多裂纹之间相互干渉的规律。分析多裂纹相互干涉情况，可以提高求解管道多裂纹问题的精确度、提高石油运输管道的安全可靠性，改进石油运输管道的评定方法。

本文工作的主要内容：

（1）根据断裂力学的理论知识，应用大型有限元分析软件ansys，建立三维管道外表面裂纹有限元模型，验证ANSYS建模计算管道裂纹应力强度因子方法的可行性和准确性。

（2）针对不同的影响因素，建立不同情况下含有表面多裂纹管道的有限元模型，计算出两裂纹应力强度因子值，绘制出应力强度因子随着不同影响因素的变化趋势图。通过对含三维多裂纹管道进行大量的计算，总结出单裂纹在有其他裂纹干扰作用下的应力强度因子值的变化规律，即裂纹数量，裂纹深度，裂纹长度，两裂纹轴向间距，两裂纹周向间距对多裂纹相互干涉的影响规律。               

（3）结合研究管道多裂纹在实际应用中的作用，查阅相关文献，评价管道的剩余强度和安全性。

（4）由全文的计算分析结果，归纳整理得出结论并提出该课题需要继续研究的问题和不足之处。

关键词：多裂纹、应力强度因子、有限元法、ANSYS

Abstract

In the past, most of the researches on the defects of oil transportation pipelines only considered single crack problems, but the study of the law of the interference of stress intensity factors with pipes with multiple cracks was not mature enough. Due to mutual interference between cracks, cracks in crack stress intensity factor will be better than the single crack stress intensity factor is high, so the assessment of pipeline safety when only considering the influence of the single crack and is not accurate enough, interaction between the cracks between the expansion and evaluation of structural safety and crack prediction durability, saving a lot of manpower and material resources is the important content and key technology, has important theoretical and practical significance. This article uses large-scale finite element analysis software ANSYS to establish three-dimensional multi crack pipe model, and calculate the stress intensity factor of the crack surface of the pipeline, by changing the parameters to identify the crack crack between the mutual interference of the law. Analyzing the mutual interference of multi cracks can improve the accuracy of solving multiple cracks in pipeline, improve the safety reliability of petroleum transportation pipeline, and improve the evaluation method of petroleum transportation pipeline.

The main content of this paper:

(1) according to the theory of fracture mechanics, the finite element analysis software ANSYS, a three-dimensional finite element model of the outer surface of the pipe crack, crack the feasibility and accuracy of calculation of pipe stress intensity factor method validation ANSYS modeling.

(2) according to different factors, establish the finite element containing surface crack pipe under the condition of different model, calculate two crack stress intensity factor, draw the stress intensity factor with different influence factors of the trend chart. Through a lot of calculation of three-dimensional multi crack pipe, summed up a single crack in other crack interference under the variation of stress intensity factor values, namely the crack number, crack depth, crack length, two axial crack spacing, crack two circumferential spacing on the influence of multi crack interaction.

(3) combined with the study of the role of multiple cracks in the pipeline, the relevant literature was consulted to evaluate the residual strength and safety of the pipeline.

(4) from the full text of the calculation and analysis of the results, summarized and drawn conclusions, and put forward the subject needs to continue to study the problems and shortcomings.

Key Words: Multi crack, stress intensity factor, finite element method, ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2多裂纹管道的应力强度因子影响因素及研究现状 2

1.3本文的研究内容 4

1.4本章小结 4

第2章 断裂力学有限元建模与验证 5

2.1断裂力学理论基础 5

2.1.1 裂纹形貌 5

2.1.2应力强度因子K 6

2.1.3有限元法 6

2.2 ANSYS断裂力学建模及求解的过程 7

2.3含三维裂纹模型应力强度因子求解及验证 8

2.3.1应力强度因子有限元求解方法 8

2.3.2 结果验证 11

2.4本章小结 14

第3章 含三维表面轴向多裂纹管道应力强度因子分析 15

3.1两裂纹间距对应力强度因子的影响 15

3.1.1建立管道单裂纹（裂纹A）模型 15

3.1.2 建立管道多裂纹模型 17

3.1.3结果分析 20

3.2两裂纹间裂纹长度对应力强度因子的影响 22

3.3 不同深度对多裂纹应力强度因子的影响 24

3.4本章小节 26

第4章 含缺陷压力管道的剩余强度评价 27

4.1 剩余强度评价概述 27

4.2剩余强度评价方法 27

4.2.1 R6 方法 27

4.2.2 EPRI 方法 28

4.2.3 ASME IWB-3650 方法 28

4.3 工程实例评价 28

4.4本章小节 29

第5章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1引言

当前压力管道被广泛应用于石油、化工、机械、航空航天、海洋等多个领域，因为压力管道一般输送一些容易燃烧、爆炸和中毒性质的介质，因此极易发生重大事故，从而给人民和国家带来巨大伤害。由于制造过程中采用焊接工艺，加上使用过程中恶劣的工作环境，在役压力管道很容易存在裂纹缺陷，一旦管道因为裂纹等缺陷发生破坏，将会造成非常严重的后果。加上我国在压力管道制造、管理等方面存在的不足，又极大的助长了危险事故的发生，导致管道爆炸、燃烧事故屡见不鲜。2013年11月22日，位于青岛经济技术开发区的东黄输油管道原油泄漏现场发生爆炸事故，造成63人遇难、156人受伤，直接经济损失人民币75172万元。2011年7月2日，在山东济南济青高速公路上发生一起天然气管道爆炸事故，一根天然气主管道爆炸起火，济青高速公路被迫紧急关闭，附近村庄村民迅速被组织疏散，造成巨大的损失。

纵观近几十年来国内外发生的大大小小的管道爆炸事故，给人民，企业和国家带来了很大的伤亡和经济损失，对于此类事故的杜绝是十分有必要的。也就是说对管道缺陷的研究需要进一步的完善来进一步地提高管道安全性能，降低管道事故率。目前解决管道安全的办法往往是将制造或使用过程中造成缺陷的管道进行翻修或者更换处理，这种方法虽然避免了事故，却极大地提高了整个管道生产和维修的成本，并没有完全有效的解决根本问题。要解决以上问题，就要对管道缺陷安全性做一个评估。现代断裂力学的基本思想就是将裂纹参数、外部载荷条件与管道材料性能联系起来、为定量分析裂纹扩展、失稳和材料对裂纹的断裂抗力提供理论基础。这样可以免去大量不必要的维修跟更换，节省大量的财力、人力，物力并产生巨大的经济效益。