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超高压聚乙烯反应管端部结构分析与优化

危书涛  
【摘要】:本文针对工程实际中发生断裂泄漏失效的超高压聚乙烯反应管端部结构,在参阅大量文献资料的基础上,采用数值模拟与试验研究相结合的方式,主要进行了超高压管材料性能研究、端部结构应力场研究与流场研究,探索了端部结构应力场与流场的具体情况,分别分析了端部结构应力场与流场对腐蚀疲劳破坏的影响,并针对主要影响因素,提出了可行的优化改进方案。主要工作与结论有: ⑴管材AISI4333M4化学成分符合标准,屈服强度、抗拉强度、吸收功、断裂韧性等性能均达标,材质在使用17年后并未发生劣化,断裂韧性符合使用要求。 ⑵端部结构因过盈配合导致应力集中形成局部应力场,过盈套合、自增强处理和操作工况下,套合边缘附近的轴向应力水平较高,且局部轴向应力水平均高于环向。开停工循环载荷作用下的疲劳交变应力水平较高,为此处初始缺陷在腐蚀环境下形成环向裂纹以及多裂纹垂直于轴向复合扩展提供了较高的推动力。 ⑶过盈量越大,端部结构的局部应力水平越高;局部应力水平随自增强压力的增大而提高;局部轴向应力水平随夹套厚度、长度的增加而提高。 ⑷端部结构处流动状态较差,尤其是夹套根部,流速接近于零,增加了腐蚀结垢速率,提高初始缺陷产生的机率,对腐蚀疲劳断裂失效产生积极的推动作用。 ⑸提出了添加导向叶片扰流元件改善流场、设计阶梯型夹套改善应力场、设计填料函式端部密封结构改善应力场、提高水质控制等优化解决方案。


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