含有内外腐蚀群的CO2管道在复杂荷载作用下的疲劳破坏机理及可靠性评估研究

CO2的管道运输是碳捕捉与封存技术（CCS）得以实施的关键环节。运送超临界态CO2的金属管道，会形成循环应力和腐蚀双重作用的腐蚀疲劳破坏形式。精确估算和预测管道腐蚀疲劳剩余强度和腐蚀疲劳剩余寿命，是保证管道安全运行的前提，也是判断管道是否需要更换的依据。针对目前含有多个内外腐蚀缺陷（腐蚀群）的CO2管道在内压、轴向力和交变弯矩联合作用下的疲劳破坏机理缺乏有效的分析理论和可靠性评估方法的局面，本课题旨在通过对关键问题─含有多个内外腐蚀缺陷的CO2管道在复杂荷载联合作用下的腐蚀疲劳灾变过程开展研究。采用理论分析、全尺寸试验和数值仿真相结合的研究手段，揭示CO2管道的腐蚀疲劳破坏机理；通过构建内外腐蚀群间发生相互影响的腐蚀特征值，提出CO2管道腐蚀群相互作用准则；基于考虑内外腐蚀群间相互作用的CO2管道疲劳极限计算模型及疲劳寿命预测模型，建立CO2管道的腐蚀疲劳可靠性评估方法。

超临界态CO2的管道运输是目前国际上控制大气中CO2等温室气体过度排放的碳捕捉与封存计划中的重要一环。研究CO2管道的安全储运，在我国具有极其重要的意义，主要表现在：（1）我国是国际上碳排放量最多的国家之一，今后十几年里担负的节能减排任务繁重；（2）考虑到CO2气体的危害性以及我国的人口稠密性， CO2管道泄露的后果非常严重；（3）我国在油气管道安全输运方面的研究较多，而对于CO2管道输运，特别是长距离CO2管道输运方面的经验却很少；（4）考虑到CO2在水蒸气存在条件下的易腐蚀性，CO2管道更容易遭受腐蚀侵袭；（5）CO2管道一旦破裂，其内部的液态CO2随即失压而气化，迅速降低断裂部位的局部温度，从而管材的断裂韧度也随之迅速降低。因此，建立在管道钢材韧性断裂止裂能力的基础上的油气管道研究及设计方法不适合直接应用于CO2管道。为了确保我国碳捕捉与封存计划的顺利实施，维护长距离CO2管道的输运安全，对CO2管道由于管壁腐蚀、管材先天裂纹缺陷、焊缝缺陷抑或是此三种因素交互影响而引发的管道疲劳断裂问题进行深入研究是非常必要的。.充分考虑到CO2管道管壁表面裂纹启裂阶段的研究重要性，本课题针对含有单一及多个管壁缺陷的CO2管道在内压波动、轴力、弯矩等交变荷载作用下的疲劳灾变过程开展了研究工作。采用理论分析、管材疲劳试验及有限元数值分析的方法，研究了单一管壁缺陷沿壁厚方向疲劳扩展机理及剩余寿命的评估方法；确定了由缺陷深径比反映的不同形状初始缺陷的疲劳扩展路径；分析了双表面缺陷的相互作用规律及疲劳裂纹融合特征，从而进一步地提出多腐蚀缺陷相互作用准则；开发了基于试验数据的含表面裂纹的二维和三维有限元模型，为进一步地研究复杂荷载条件下CO2管道疲劳断裂规律及疲劳剩余寿命的评估方法提供了基础。.受益于本课题的资助，已完成相关论文7篇。其中1篇已被“工程力学”录用；其余6篇为国际会议论文。