2%氢气含量对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响

氢气的存在会劣化金属材料的力学性能，导致材料发生氢脆断裂，严重影响含氢天然气输送管线的安全输送，为此本文开展X80管线钢在含氢环境中的断裂韧性试验，通过对比无氢环境，评定氢气的存在对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响规律，利用扫描电镜对断口进行观察分析，判断其在不同条件下的断裂模式。结果表明，在12 MPa的输送压力环境中掺入2%H₂,X80管线钢的断裂韧性比氮气环境有一定程度的下降，X80管线钢在氮气中的裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)值为0.42 mm，在氢气中的值为0.33 mm,2%H₂使X80的断裂韧性下降21.42%，相应地氢气降低了管线钢允许的缺陷尺寸。从断口的形貌来看，氢气并没有改变材料的断裂模式，仍表现出明显的韧性断裂的特征，但局部有少量微裂纹存在。     

含氢气体环境中管线钢材料氢相容性评价的力学性能关键指标研究

本文在不同分压氢气环境中对材料为X42,X52,X60,X70和X80的管线钢材料进行慢应变速率拉伸、断裂韧性和疲劳裂纹扩展测试，研究了含氢气体对管线钢强度、塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能的影响，讨论了氢分压对管线钢材料氢环境相容性的影响，提出了适于管线钢氢环境相容性量化评价的关键力学性能指标和相应的指标测试方法，以便科学评估管线钢材料对氢环境的适应性。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑,本文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;b.在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大;c.在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释,对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑,本文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;b.在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大;c.在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释,对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

氢环境下压力容器及管道材料相容性研究进展

氢能作为一种理想的清洁能源受到世界各国重视。压力容器和管道是氢能产业大规模、长距离、安全高效输送的重要途径。但长期使用过程中金属容易发生氢脆并导致失效,对氢能应用带来了极大挑战。本文针对氢环境下压力容器及管道材料相容性进行论述,首先阐述了典型氢脆机理及氢进入材料内部的渗透机理,随后总结分析了压力容器和高钢级管线钢氢脆特征。针对氢致失效难题提出如下措施：（1）改善热处理及加工工艺,避免钢中出现对氢敏感的组织,同时严格控制钢中夹杂物含量及尺寸;（2）改善焊接工艺,减弱热影响区氢致开裂敏感性;（3）钢中引入有效氢陷阱提高其抗氢脆性能。该结论将为未来压力容器及管道使用安全性研究打下基础。     

掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

利用天然气管输系统混输氢气,能实现氢气大规模、低成本、长距离输送,但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术,探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络,改进关键管输工艺与设备,建立输运协同应急与智慧决策大数据平台,制定掺氢天然气管道输送规范标准,逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。     

水锤作用下管路系统支撑处位移与输送速度的关系

以深海采矿扬矿垂直输送硬管在水力输送过程中的管道为研究对象,分析了管道系统在水锤冲击下考虑泊松耦合时流体和结构的瞬态响应;建立了管道系统在瞬变流情况下的流固耦合模型,获得了弱约束条件下支撑处管道位移随输送速度的变化关系。结果表明:随着输送速度的提高,当管道输送系统发生水击现象时,压力发生剧烈变化,导致管道支撑点处X、Y、Z三个方向的位移均大幅增加;X、Y方向位移呈现对称性,由于Z方向与轴向一致,水击发生时其位移变化较小;随着时间的延续,Z方向位移变化愈发明显;当采用较高输送速度输送矿石浆体时,管道与两相流浆体相耦合的振幅较大。以上结果可为管道设计中的支撑结构设计提供参考。     

长距离管道纯氢与天然气掺氢输送技术专题序

<正>氢能利用涉及到制氢、储氢、输氢、用氢等全产业链。作为我国绿氢主要产地的风光大基地集中于“三北”地区,而氢气消费大户却主要分布在东部特别是沿海地区,绿氢生产和消费空间错配,客观上要求大规模储运调配以有效衔接供需。然而,当前氢能储运成本约占到“制储输用”全产业链总成本的30%～40%,已成为制约其发展的核心问题。氢能储运模式中,长距离管道纯氢与天然气掺氢输送是实现氢能大规模、网络化输送最有潜力的技术,尤其是利用已有天然气管网进行少量改造实现天然气掺氢输送,更能节约大量基础设施建设费用。     

考虑微缺陷形状的细片层状珠光体钢的损伤本构模型

基于非经典塑性理论和连续介质损伤力学,利用在一个特殊坐标系下基于椭球形孔洞模型得到的可考虑孔洞形状变化混合强化材料的损伤演化率得到了铁素体相的损伤本构方程,通过混合物理论利用铁素体和渗碳体相各自本构关系并考虑其几何特征得到了珠光体团的损伤本构模型。进而采用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的宏观损伤本构描述,发展了相应的数值方法与程序。讨论了孔洞形状对材料损伤的影响,并对典型珠光体双相材料BS11在非对称循环加载史下的弹塑性响应特性进行了分析,得到了与实验较为一致的结果。     

垂直提升管道输送过程流固耦合分析

以垂直提升管道的下管道支撑点为研究对象,用有限元方法对固液两相流输送过程中的流固耦合作用进行应力与位移计算。建立了管道和流体有限元模型,利用ADINA-FSI流固耦合模块进行求解;针对不同启动时间、不同约束条件、不同输送浓度、不同输送速度工况下管道铰接点的应力和位移进行分析。结果表明:随着两相流输送浓度和速度的增加,管道应力和位移也相应地增加;启动时间越短,管道应力和位移也越大;柔性连接时管道铰接点应力和位移远大于固接时的应力和位移。     

天然气随动掺氢技术研究进展

氢气是一种零排放的二次能源,是实现“双碳”目标的重要能源之一。采用在役天然气管道或管网输送掺氢天然气,是实现氢气大规模输送的有效方式。精确控制进入输送系统的掺氢比例对系统安全运行具有重要意义。本文介绍了电气式和机械式随动掺氢系统的结构与原理;分析了红外吸收型、热传导型、半导体型浓度传感器和相应的综合测量系统在掺氢比动态调整中的应用;重点评述了目前3个重要在役天然气掺氢示范项目中随动掺氢系统的组成和运行结果;基于工程实践经验展望了天然气掺氢技术的发展趋势。     

天然气掺氢在管道流动中的氢浓度分布

天然气掺氢是解决氢气产地与使用地不匹配,进而实现氢气大规模、远距离输送的主要方法。由于氢气的存在会导致在役天然气管道出现氢脆引起安全事故。所以,研究天然气掺氢管路中氢气组分、速度、聚集的规律分析十分必要。本文选用天然气和氢气两种工质,构建T型掺混管路模型和变径管路模型;并基于Fluent软件对T型掺混管路和10种变径掺混管路进行数值模拟研究。结果表明,对于T型掺混管路,在管长是管径35倍处内依然有明显分层,宽度占据1/3管径。对于变径掺混管路,发现变径越靠近掺混中心、直径越窄、高度越低越容易发生氢气富集,氢气摩尔分数最高达到50%～60%,易引起管道的氢脆。研究结果可对天然气掺氢在管道中流动的氢浓度分布和管道变径选取提供参考。     

基于微结构损伤的珠光体材料本构行为研究

珠光体材料由许多随机取向的珠光体团组成,每一珠光体团又由铁素体片和渗碳体片交替 叠合而成. 实验表明具有较小片层间距的珠光体材料具有较高的强度和寿命. 通过分析构成 珠光体团的各相及界面的损伤特征,利用损伤耗散功的概念,得到了铁素体、渗碳体与界面 损伤的具有统一形式的演化规律,将其嵌入基于细片层微结构和非经典塑性理论的珠光体团 的弹塑性本构方程,利用Hill自洽方法,得到了珠光体材料的损伤本构描述. 所得到的损 伤本构描述显含表征微结构特征的片层间距,容易证明具有较小片层间距的珠光体材料具有 较好的综合力学性能. 对珠光体材料的拉伸和循环拉压特性进行了分析,得到了与实验一 致的结果.     

长输氢气管道失效分析与定量风险评价

长输氢气管道是一种解决大规模输氢的有效方式,但其失效机理和泄漏扩散规律不同于常规油气管道,因此为提高氢气长距离管输的风险应对能力,本文分析了包括氢损伤在内的6类风险致因,辨识了氢气管道泄漏典型事故场景,研究了失效概率预测和潜在生命损失计算模型,从而构建了一种量化风险评价方法。通过案例分析表明：该方法解决国内缺少失效统计数据前提下的失效概率分析问题,多场景泄漏事故计算为最大限度评估后果严重性提供保障。     

O_2-C_2H_2在管道内爆炸时安全壁厚的确定

设计输送可燃气体的管道,通常都要考虑在发生气体爆炸事故时管道的耐爆强度。特别象输送乙炔的管道常常会因氧乙炔气回火而引起纯乙炔的分解爆炸。因此确定乙炔管道的安全壁厚就成为一个重要的问题。 由于管道在静水压作用下与在冲击载荷作用下的破坏情况是不同的,加上研究耐爆强度时还要计人高应变率对材料应力应变关系的影响,因而给确定耐爆安全壁厚带来了     

Fe-Mo-石墨和Fe-Mo-Ni-石墨的高温摩擦磨损行为

采用粉末冶金技术制备了Fe-Mo-石墨材料(FM)和Fe-Mo-Ni-石墨材料(FMN),分析了其显微组织及组成,并研究了其在室温、320 ℃和450 ℃下的摩擦磨损性能.结果表明:FM 和FMN两种复合材料主要含有铁素体、珠光体、Fe₃Mo金属间化合物、Mo₂C、Fe₂MoC以及少量石墨,各相分布均匀.FMN较FM珠光体数量要少, Ni元素的加入在一定程度上抑制了珠光体的生成;室温条件下,富含石墨的摩擦层发挥了减摩作用,而在高温条件下,复合材料中的石墨与对偶表面生成的Fe氧化物Fe₂O₃+Fe₃O₄+FeO·Cr₂O₃对其减摩降磨至关重要.     

刹车条件对铁基粉末冶金材料摩擦磨损性能的影响

采用粉末冶金法制备某型号飞机用铁基刹车材料,研究了刹车条件对铁基刹车材料摩擦磨损性能的影响,利用光学显微镜观察铁基刹车材料表面及其磨损表面形貌,利用X射线衍射仪分析其组织的变化情况.结果表明:随着刹车条件(单位面积吸收能量)的增加,铁基刹车材料的摩擦系数减小,磨损量增大,摩擦表面温度升高;磨损前铁基刹车材料由粗大的细片层珠光体和块状铁素体组成,随着吸收能量的增加,细片层珠光体较使用前明显增多和细化;当刹车条件从正常着陆刹车变为超载着陆刹车时,其摩擦表面Fe的高价氧化物比例增大.     

球化退火态重载车轮钢CL70磨损性能及组织演化

对CL70重载车轮钢进行球化退火获得球状珠光体组织. 将组织为片状珠光体和球状珠光体的CL70分别与U75V钢轨钢在滚动摩擦磨损试验机上以相同参数进行干摩擦纯滚动试验. 使用称重法测量磨损量、利用带电子背散射衍射附件的扫描电子显微镜及显微硬度计对两种组织形态的试样运行表面进行组织及硬度变化情况的观察与分析. 结果表明:球状珠光体组织磨损性能不及片状珠光体组织. 二者的磨损机制和强化机制不同,片状珠光体组织以疲劳磨损为主,通过塑性变形和晶粒不断细化至纤维状再到纳米晶,位错不断累积并达到良好的强化效果. 球状珠光体组织以黏着磨损为主,只有铁素体和少量渗碳体变形和碎化,硬度提升主要来自于渗碳体颗粒周围的位错集中,硬化效果较差.      

海底集矿机和移动输送站最小安全距离研究

海洋矿产资源的开发正由浅海向深海发展，水下输送管道作为深海采矿系统中的必备构件，其作业安全尤为重要．本文以6 000 m深海采矿工程为背景，研究了海底集矿机、海底移动输送站及连接两者的矿料输送管道的运动协调关系．首先，用悬链线理论得到输送管道的初始构形，基于有限元方法，构建了集矿机-输送管道-移动输送站系统三维动态响应模型，进而讨论了集矿机和移动输送站运动过程中，输送管道形态和应力的变化．结果表明，集矿机与移动输送站靠近时，输送管道的最大应力增长速度变快，威胁采矿系统的作业安全．基于此，提出了集矿机与移动输送站最小安全距离的概念，分析并给出了管道壁厚和材料屈服应力对最小安全距离的影响规律．     

两种热处理钢轨焊接接头冲击磨损与损伤性能研究

研究了过共析钢轨焊接接头淬火和正火后不同区域的硬度与微观组织,利用冲击磨损试验机对不同区域进行冲击试验,分析了各区域冲击磨损与损伤特性. 结果表明:钢轨焊接接头分为母材区、焊缝区和热影响区. 母材区微观组织为片层状珠光体,焊缝区为珠光体与先共析铁素体且正火后铁素体含量较多,热影响区淬火后为粒状珠光体而正火后存在少量片层状珠光体. 焊接接头不同区域硬度大小为母材区>淬火焊缝区>正火焊缝区>正火热影响区>淬火热影响区. 硬度越低的区域,冲击深度和磨损体积越大. 母材区冲击损伤轻微,表面呈轻微剥落;焊缝区损伤较严重,出现明显裂纹且正火后损伤较淬火后严重;热影响区损伤最为严重且正火后损伤较淬火后略轻微.