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管道輸氣的發(fā)展趨勢(shì)和重要性
1.1.1.1蓬勃興起的天然氣工業(yè)
世界能源構(gòu)成中天然氣的地位日益攀升。包括盛產(chǎn)石油的海灣國(guó)家在內(nèi)，天然氣在國(guó)家總能源消耗中所占比例不斷加大。天然氣的突出優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保。與煤炭相比，天然氣在燃燒中二氧化硫、粉塵的排放量幾近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量分別降至40%和50%。天然氣對(duì)溫室效應(yīng)的影響僅為石油的54%，煤炭的48%。
我國(guó)天然氣總資源量為3.8×10¹³m³，。其中在面積為560,000km²的塔里木盆地，天然氣資源量就達(dá)8.39×l0¹²m³。其中累計(jì)已探明地質(zhì)儲(chǔ)量4.19×l0¹¹m³,,剩余可采儲(chǔ)量2.79×l0¹¹m³，是國(guó)內(nèi)天然氣資源量及剩余可采儲(chǔ)量最豐富的氣區(qū)。預(yù)計(jì)今后五至十年，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量可達(dá)1×10¹²m³。此外，從圖1-1可以看到，陜西、四川、青海等地的天然氣儲(chǔ)量也都十分可觀，氣田分布的西傾狀況比較明顯。

在資源利用方面，隨著國(guó)際上對(duì)天然氣能源開采、輸運(yùn)和使用能力的不斷加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)各大城市也紛紛開始籌措系統(tǒng)化利用天然氣資源以減少環(huán)境污染，市場(chǎng)需求急劇上漲。以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)為例，今后幾年內(nèi)規(guī)劃項(xiàng)目新增用氣量約為：2003年4.2×10⁹m³；2004年7.4×10⁹m³；2005年1.08×10¹⁰m³；2010年1.99×l0¹⁰m³。未來(lái)十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)和國(guó)際范圍內(nèi)的天然氣需求量和使用量都將迅猛提高。在我國(guó)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的地域性不平衡使得天然氣需求量主要側(cè)重于東部。

表1-1全國(guó)天然氣能源與需求狀況一覽

綜上所述，我國(guó)天然氣市場(chǎng)主要位于東部地區(qū)，而資源地大多分布在西部地區(qū)。進(jìn)口天然氣的資源地主要在北部鄰國(guó)俄羅斯和西部的中亞三國(guó)（土庫(kù)曼斯坦、哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦）。因此，建立安全、高效、持久的輸運(yùn)體系勢(shì)在必行。
1.1.1.2高壓管道運(yùn)輸帶來(lái)的挑戰(zhàn)
天然氣管道是連接上游氣田與下游用氣市場(chǎng)的大動(dòng)脈。天然氣的密度小，采用普通運(yùn)輸方式非常不經(jīng)濟(jì)，因而和石油運(yùn)輸類似，多采用管道運(yùn)輸?shù)姆绞�。而天然氣免于加工的特性，使得管道輸氣的范圍更加普遍。主干管道可以從氣田一直鋪到城市，再在城市�?nèi)鋪設(shè)分布管網(wǎng)，直達(dá)每一個(gè)用戶。
天然氣的管道輸送始于中國(guó)。早在公元前900年，我們的祖先即利用竹筒輸送天然氣。后來(lái)英國(guó)人用木管和鉛管輸送天然氣，其安全性極差。19世紀(jì)，鑄鐵管技術(shù)在歐洲逐漸發(fā)展，使天然氣能夠在較長(zhǎng)的距離安全輸送。

輸送油氣的大口徑鋼管，19世紀(jì)末首先在美國(guó)發(fā)展起來(lái)，并于1926年列入美國(guó)石油學(xué)會(huì)發(fā)布的API5L標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)1891年建成第一條天然氣長(zhǎng)輸管線（約200km),1925年建成第一條焊接鋼管天然氣管線。
就管道材質(zhì)而言，長(zhǎng)距離壓力管道一般使用鋼制管道，而短距離分布管網(wǎng)一般使用聚乙烯PE(PolyEthylene）管道。在絕大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，都有比較密集而完善的天然氣管網(wǎng)，如美國(guó)擁有總長(zhǎng)達(dá)l,200,000km的天然氣管線。我國(guó)目前已鋪設(shè)的天然氣管道約有幾千公里，十至十五年內(nèi)規(guī)劃建設(shè)干線總長(zhǎng)度達(dá)22,000km，支線總長(zhǎng)度約12,000km。

目前，國(guó)外天然氣高壓輸送呈強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì)。20世紀(jì)50-60年代管道輸運(yùn)最高壓力為6.3MPa,70-80年代最高壓力為10MPa,90年代已達(dá)14MPa。國(guó)外新建天然氣管道的設(shè)計(jì)工作壓力都在10MPa以上。目前我國(guó)輸氣管道的最高輸氣壓力為6.4MPa，俄羅斯實(shí)際運(yùn)營(yíng)的輸氣干線最高為7.5MPa。
隨著輸氣管道輸送壓力的不斷提高，輸送鋼管也相應(yīng)地迅速向高性能發(fā)展（詳見(jiàn)4.1節(jié)）。從型號(hào)來(lái)看，60年代一般采用X52,70年代普遍采用X60～X65,近年來(lái)以X70為主，X80也已開始使用。高性能鋼管保證了高壓輸送的安全性，使管道建設(shè)的成本大大降低。管道建成后，管道運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益更加良好。加拿大的統(tǒng)計(jì)分析表明，每提高一個(gè)鋼級(jí)可減少建設(shè)成本7%。
為保障管線安全可靠，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，必須相應(yīng)提高韌性。特別是高壓輸氣用鋼管，必須具有很高的沖擊韌性。在成分設(shè)計(jì)上，大體上都是低碳或超低碳的Mn-Nb-Ti系或Mn-Nb-V(Ti）系，有的還加入Mo、Ni、Cu等元素。現(xiàn)代冶金技術(shù)可以使鋼材具有極高純凈度、高的均勻性和超細(xì)化的晶粒。超純凈鋼冶煉技術(shù)包括高效鐵水預(yù)處理、復(fù)合爐外精煉；高均勻性的連鑄技術(shù)包括連鑄過(guò)程的電磁攪拌、連鑄板坯輕壓下技術(shù)等：此外，控制軋制、強(qiáng)制加速冷卻、TiO處理等使鋼材獲得優(yōu)良的顯微組織和超細(xì)晶粒。目前，日本、德國(guó)、加拿大、美國(guó)等國(guó)家的管線鋼的生產(chǎn)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)的水平，其X80～Xl00高性能管線鋼在-10℃時(shí)的夏比沖擊韌性可達(dá)400J以上。
總之，提高輸送壓力意味著高效率，是天然氣輸運(yùn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，但這必須以管道型材的高韌性作為安全性保障。天然氣管道裂紋擴(kuò)展與止裂的研究就是為了在不同的管道動(dòng)態(tài)斷裂韌性與選用設(shè)計(jì)參數(shù)（包括壁厚、口徑、輸送壓力等）之間建立可靠性評(píng)價(jià)的理論依據(jù)與數(shù)值方法，并以實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)的依據(jù)。目前在高壓高韌性鋼管方面，國(guó)際上的研究遇到了比較大的困難，原有的止裂判定經(jīng)驗(yàn)方法與實(shí)際結(jié)果有比較大的偏差，這為本文的工作提供了創(chuàng)新的契機(jī)。
1.1.2我國(guó)天然氣管道工業(yè)發(fā)展簡(jiǎn)述

1.1.2.1天然氣管網(wǎng)總體規(guī)劃

我國(guó)十至十五年內(nèi)天然氣管網(wǎng)建設(shè)的總體規(guī)劃可以概括為“兩橫兩縱”:“兩橫”分別指立足于國(guó)內(nèi)資源的輪南～上海西氣東輸干線，以及為從西部其他國(guó)家引進(jìn)天然氣建設(shè)的第二條新疆～上海輸氣干線：“兩縱”是指從俄羅斯進(jìn)口天然氣，分別建設(shè)東西伯利亞經(jīng)東北至北京，以及薩哈林至沈陽(yáng)輸氣干線，具體線路走向如圖1-2所示。
“兩橫兩縱”輸氣干線通過(guò)已建的陜京輸氣管道和澀北至蘭州輸氣管道，以及其它已有管道，擬建的忠縣至武漢輸氣管道，規(guī)劃將要建設(shè)的天津經(jīng)濟(jì)南至南京輸氣管道、陜京復(fù)線（陜魯管道）、蘭州至甘塘輸氣管道、武漢至合肥輸氣管道等支干線管道，形成互相溝通的輸氣管網(wǎng)，成為全國(guó)性的多氣源、多用戶、靈活貫通的供氣網(wǎng)絡(luò)，以保證安全、平穩(wěn)供氣。

1.1.2.2西氣東輸工程介紹
西氣東輸工程是我國(guó)在新世紀(jì)啟動(dòng)的最大的建設(shè)工程之一，是西部大開發(fā)的標(biāo)志性工程。工程西起新疆塔里木盆地的輪南氣田，經(jīng)甘肅、寧夏，進(jìn)入陜西，在靖邊與長(zhǎng)慶氣田連接，經(jīng)山西、河南、安徽、江蘇、浙江，東抵上海。在我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)史上，西氣東輸工程創(chuàng)出多項(xiàng)之“最”:
距離最長(zhǎng)，全長(zhǎng)約4000km；管徑最大，最大口徑1016mm，最大壁厚26.2mm；

投資最多，上、中、下游靜態(tài)總投資規(guī)模約1500億元，超過(guò)在建三峽工程的投資50%，其中僅管道工程干線總投資達(dá)456億元；
運(yùn)營(yíng)壓力最高，設(shè)計(jì)輸氣壓力10MPa:
輸氣量最大，管線運(yùn)營(yíng)初期年輸氣規(guī)模為1.2×10¹⁰m³，到2010年可擴(kuò)大到2.0×10¹⁰m³；
鋼材等級(jí)最高，整個(gè)工程用鋼近200萬(wàn)噸，其中絕大部分是針狀鐵素體X70鋼，而這種鋼材的批量生產(chǎn)過(guò)去在我國(guó)屬于空白；
施工條件最復(fù)雜，管道路線穿過(guò)沙漠、戈壁、山區(qū)、丘陵、盆地、黃土高原、農(nóng)田水網(wǎng)等地形地貌，40%以上地區(qū)的地震烈度超過(guò)7度。
施工途中將翻越呂梁山、太行山和太岳山，經(jīng)過(guò)濕陷性黃土源區(qū)，穿（跨）越大型河流14次（包括長(zhǎng)江和淮河各1次，黃河3次），鐵路35次，公路421次，還要經(jīng)過(guò)人口稠密，河塘密布的江南水網(wǎng)地帶，如圖1-3。條件，在世界范圍內(nèi)都不多見(jiàn)。

本文結(jié)合西氣東輸工程，重點(diǎn)研究輸氣管道的裂紋擴(kuò)展機(jī)理及止裂預(yù)測(cè)技術(shù)，其研究成果為鋼制輸氣管線的可靠性提供了理論與實(shí)驗(yàn)評(píng)估的依據(jù)。

1.2鋼制輸氣管道的長(zhǎng)程裂紋擴(kuò)展

1.2.1壓力管道上的災(zāi)難性事故

裂紋的快速擴(kuò)展是結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的一種失效形式，若不能及時(shí)抑制，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重事故。許多工程事故的起因是管道開裂后，流體釋放導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展。除石油天然氣輸送管道以外，這樣的實(shí)例還有：核反應(yīng)堆管道系統(tǒng)、飛機(jī)機(jī)身、低溫冷藏儲(chǔ)箱、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、海洋石油平臺(tái)等。對(duì)該問(wèn)題的研究被認(rèn)為是防災(zāi)減災(zāi)的生命線工程，是斷裂動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域中最重要的課題之一。由于缺陷持續(xù)擴(kuò)展而導(dǎo)致管線開裂是高壓輸氣管線區(qū)別于輸送液體（如石油）管線的特有破壞形式。高壓輸氣管線上可能發(fā)生長(zhǎng)距離的斷裂擴(kuò)展，而輸送液態(tài)物質(zhì)的管線上一般是發(fā)生泄漏或僅開裂數(shù)英尺。這種不同斷裂特征的原因在于氣體和液體具有不同的減壓特性。
輸氣管線的開裂使高壓輸送介質(zhì)放空，在斷裂源兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)減壓波向遠(yuǎn)端擴(kuò)展，減壓波速度的極限值為聲波在介質(zhì)中的傳播速度l2］。在液體介質(zhì)中，聲波的傳播速度相當(dāng)于其在氣體中的傳播速度數(shù)倍以上，因而減壓波速超前于裂紋的擴(kuò)展速度，斷裂擴(kuò)展在短時(shí)間內(nèi)被有效抑止：而在氣體介質(zhì)中，減壓波速較液體中慢，往往會(huì)低于管體上發(fā)生的裂紋擴(kuò)展速度。在這種條件下，斷裂得以持續(xù)擴(kuò)展。由于這種斷裂是在動(dòng)載荷的推動(dòng)力作用下高速擴(kuò)展的，因而被命名為動(dòng)態(tài)斷裂擴(kuò)展（Dynamic Fracture Propagation）。
輸氣管線的爆裂失效給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。最慘烈的一次是1989年前蘇聯(lián)烏拉爾山發(fā)生的輸氣管爆裂事故，死傷1024人。五十年前首次發(fā)現(xiàn)的輸氣管道裂紋迅速擴(kuò)展就已經(jīng)達(dá)到了10⁴m的量級(jí)。通過(guò)改善工藝，加強(qiáng)檢測(cè)，降低鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等辦法，脆性斷裂逐漸被遏止，但延性斷裂的危害仍不可忽視。1969年發(fā)生在美國(guó)的動(dòng)態(tài)延性斷裂事故，其裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)達(dá)260m，當(dāng)時(shí)的管徑為914mm，壁厚9.5mm，鋼材等級(jí)為X65。美國(guó)的BMI(Battelle Memorial Institute）研究的最長(zhǎng)的延性斷裂擴(kuò)展為約568m。

圖1-4為高壓輸氣管線開裂事故現(xiàn)場(chǎng)。

1.2.2西氣東輸管道的斷裂控制

西氣東輸管道的以下特點(diǎn)增加了管道斷裂控制的難度：
管道線路長(zhǎng)，西氣東輸管線長(zhǎng)達(dá)4000多公里，沿途地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，要通過(guò)活動(dòng)斷層帶和高烈度（7°～8°）的地震區(qū)，穿越或跨越黃河和長(zhǎng)江4次。

地區(qū)溫差大（+40℃到一40℃），晝夜溫差大，季節(jié)溫差大。
輸氣壓力高。目前我國(guó)現(xiàn)有輸氣管線壓力最高為6.4MPa，俄羅斯實(shí)際運(yùn)營(yíng)的輸氣干線最高為7.5MPa，而西氣東輸管道的計(jì)劃輸氣壓力為10MPa。高壓輸送可以節(jié)省投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，但同時(shí)也提高了對(duì)管道斷裂控制的要求和標(biāo)準(zhǔn)。最大限度保障“西氣東輸”管線的安全可靠性，防止管道開裂并做好管道開裂后的防護(hù)工作，阻止裂紋持續(xù)擴(kuò)展，杜絕惡性事故，具有十分重要的意義。

1.2.3裂紋的成因

在鋼管軋制、焊接和鋪設(shè)的過(guò)程中，都有可能產(chǎn)生人為缺陷并被帶入到建成的輸送管線當(dāng)中。隨著工藝水平的提高，明顯的缺陷已基本杜絕，但由于承受外力而導(dǎo)致的缺陷，其中包括機(jī)械損傷和在受力狀態(tài)下形核并長(zhǎng)大的缺陷都可能會(huì)在管線工作過(guò)程中擴(kuò)展并導(dǎo)致起裂。這些缺陷的尖端可以是鈍角（如由于化學(xué)腐蝕形成的缺陷），也可以是銳角（如由于應(yīng)力腐蝕或氫脆而形成的）。此外，還有由于外力形成的壓痕，缺陷以半透孔（Part-Through-Wa11）的形式擴(kuò)展。
各種缺陷依照管線鋼的類型和工作條件，呈現(xiàn)出三種形態(tài)：
第一類是在管線工作狀態(tài)不活躍的缺陷；
第二類是在管線工作狀態(tài)緩慢生長(zhǎng)，但因?yàn)槲葱纬韶灤�（Through-Wall）而仍保持良性的缺陷；
第三類是在管線工作狀態(tài)下生長(zhǎng)并貫穿管壁的缺陷。
第三類缺陷在管線工作狀態(tài)下以亞臨界擴(kuò)展的形式增長(zhǎng)，從半透孔（PTW)發(fā)展到貫穿（TW）而導(dǎo)致管線泄漏。它還包括缺陷穿透管壁后變?yōu)椴环�(wěn)定擴(kuò)展而導(dǎo)致管道開裂的情形。此類缺陷導(dǎo)致了高壓輸氣管線的開裂，斷裂從缺陷開始沿管線向兩個(gè)方向擴(kuò)展。
據(jù)對(duì)管道工業(yè)較為發(fā)達(dá)的歐洲、前蘇聯(lián)、美國(guó)和加拿大的輸氣管道失效事故的調(diào)查分析，國(guó)外輸氣管道失效的主要原因是機(jī)械損傷、腐蝕以及焊接和材料缺陷，以及其它不可預(yù)見(jiàn)因素（third party damage）。機(jī)械損傷是造成歐美天然氣管道失效的主要原因，在加拿大和前蘇聯(lián)腐蝕是管道失效的主要原因。其中大部分機(jī)械損傷是由人為因素造成的，可通過(guò)采取規(guī)范管理、加強(qiáng)巡查等措施來(lái)減少或避免；腐蝕問(wèn)題日益受到各個(gè)國(guó)家的重視；焊接和材料缺陷引起的失效事故逐漸減少。然而，不可預(yù)見(jiàn)因素引起的管道起裂是防不勝防的，因此，人們始終關(guān)注起裂后如何防止裂紋迅速擴(kuò)展。
1.2.4鋼制輸氣管道的失效機(jī)理與預(yù)防措施

長(zhǎng)距離鋼制輸氣管道的失效模式可分為動(dòng)態(tài)脆性斷裂DBF(Dynamic Brittle Fracture）和動(dòng)態(tài)延性斷裂DDF(Dynaxnic Ductile Fracture）。從產(chǎn)生原因和預(yù)防手段上看，動(dòng)態(tài)延性斷裂是西氣東輸工程研究的重點(diǎn)。本小節(jié)對(duì)兩種斷裂形式作如下比較：
動(dòng)態(tài)脆性斷裂的主要特征有：
●斷口為平斷口，塑性區(qū)尺寸很小，裂紋源往往在低韌性、多焊接缺陷的焊縫部位；

●裂紋形狀為波形，往往為多分枝，剪切面積越小，分枝越多；

●源區(qū)多呈放射狀，擴(kuò)展區(qū)具有人字花樣；
●斷口特征以解理斷裂為主；
●開裂速度較快，開裂的速度決定于管材的斷面韌脆比；
●一般與材料韌性低、韌脆轉(zhuǎn)變溫度高或在低溫下使用有關(guān)；

●脆性斷裂的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自管壁金屬中的彈性應(yīng)變能。
動(dòng)態(tài)脆性斷裂的預(yù)防措施主要有：
提高焊縫和母材的韌性，使管道材料的韌一脆轉(zhuǎn)變溫度低于管道的工作溫度，同時(shí)控制焊接缺陷及管體損傷和腐蝕等。
動(dòng)態(tài)延性斷裂的主要特征有：
●失效部位宏觀塑性變形較大；
●裂紋擴(kuò)展主要以韌性方式進(jìn)行，斷口上有明顯的撕裂和剪切特征：

●延性斷裂擴(kuò)展的方向一般沿管道的軸線；
●延性斷裂止裂時(shí)，裂紋通常由軸向先向45°方向偏斜，然后迅速停止；

●延性斷裂的擴(kuò)展速度與裂紋尖端處的壓力有關(guān)，還與材料的韌性、流動(dòng)應(yīng)力及是否有回填土等因索有關(guān)；
●延性斷裂的驅(qū)動(dòng)力一方面來(lái)自管壁金屬中的彈性應(yīng)變能，另一方面更主要的來(lái)自外泄氣體通過(guò)鼓脹作用給已破裂、翻開的管壁的能量。動(dòng)態(tài)延性斷裂的預(yù)防措施主要有：提高管材韌性。一些研究機(jī)構(gòu)提出預(yù)測(cè)管道在特定條件下止裂韌性的經(jīng)驗(yàn)公式，如Battlle、Mannesm。、EPRG、BG、ANSI等，但是，由于可壓縮的高壓氣體潛在驅(qū)動(dòng)管道裂紋擴(kuò)展的極高危險(xiǎn)性，對(duì)于高壓管道止裂韌性的研究仍在進(jìn)行之中。
1.2.5管道裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展與止裂的技術(shù)難點(diǎn)

從前面的起裂研究中可以看出，壓力管道上的缺陷和微裂紋的形成原因十分復(fù)雜，且大多是不確定因素。要達(dá)到完全消除裂紋擴(kuò)展的可能性，有時(shí)是困難的，有時(shí)要在經(jīng)濟(jì)上付出代價(jià)：降低設(shè)計(jì)負(fù)荷，增大構(gòu)件尺寸，或選用高成本材料等等。

對(duì)于載荷或工作環(huán)境十分復(fù)雜，又無(wú)法實(shí)施經(jīng)常性的裂紋有效監(jiān)測(cè)，因而難以有效控制起裂過(guò)程的重要結(jié)構(gòu)，裂紋擴(kuò)展和止裂的研究的意義在于尋找避免裂紋擴(kuò)展機(jī)理，以建立防止災(zāi)難性破壞的第二道防線，是十分必要的。

裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展與止裂問(wèn)題涉及的是流體／結(jié)構(gòu)／斷裂相互作用又相互影響的過(guò)程，如圖1-5所示。流體／結(jié)構(gòu)／斷裂耦合作用下的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展包括計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)和斷裂力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的綜合:
●流體壓力作用于包含裂紋的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生裂紋驅(qū)動(dòng)力；
●結(jié)構(gòu)開裂導(dǎo)致內(nèi)部流體迅速溢出；
●裂紋擴(kuò)展形成結(jié)構(gòu)上移動(dòng)的邊界條件。

與起裂問(wèn)題不同，裂紋尺寸這時(shí)是一個(gè)隨時(shí)間變化的未知函數(shù)。擴(kuò)展裂紋形成了結(jié)構(gòu)的位移邊界條件，使得控制方程和運(yùn)動(dòng)邊界條件均為非線性。目前僅有少量的解析解可以用來(lái)分析裂紋擴(kuò)展問(wèn)題，而且還是對(duì)材料性能，載荷，裂紋幾何和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做了諸多特殊假定之后，與具體實(shí)際問(wèn)題相去甚遠(yuǎn)。本文以斷裂動(dòng)力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)，立足于數(shù)值求解，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，對(duì)壓力管道動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展機(jī)理和止裂技術(shù)進(jìn)行了分析、綜合和創(chuàng)新。在研究過(guò)程中，發(fā)展了一套針對(duì)高延性高壓鋼制輸氣管道的理論、數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究方法，同時(shí)解決了西氣東輸管線的可靠性評(píng)估問(wèn)題，對(duì)其他工程領(lǐng)域的壓力管道問(wèn)題具有一定的借鑒意義。

1.3管道動(dòng)態(tài)斷裂研究綜述

1.3.1管道斷裂動(dòng)力學(xué)進(jìn)展

作為保持結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵性算法，斷裂動(dòng)力學(xué)提供了分析快速擴(kuò)展裂紋的途徑。當(dāng)不穩(wěn)定裂紋的起因難以控制或大幅度裂紋擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果時(shí)，動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展的分析顯得更為重要，其目的是保證裂紋驅(qū)動(dòng)力（Crack driving force）小于管道材料的斷裂韌性（Fracture toughness)，使由于非確定因素引起的微裂紋不至于迅速擴(kuò)展，從而使破壞程度限于盡可能小的局部范圍。

本文研究的重點(diǎn)將集中于如圖1-6的貯氣輸氣管線縱向裂紋擴(kuò)展問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，20世紀(jì)80年代末美國(guó)西南研究院（Southwest Research Institute,Texas)的M.F.Kanninen,O'Donoghue等人提出了輸氣管道縱向裂紋擴(kuò)展問(wèn)題的計(jì)算模型，將裂紋擴(kuò)展的斷裂動(dòng)力學(xué)算法同殼體有限元組合起來(lái)，發(fā)展了模擬計(jì)算程序PFRAC(Pipeline FRacture Analysis Code）。莊茁改進(jìn)了其部分功能并擴(kuò)展了組合受力分析的能力，發(fā)展了開裂結(jié)鉤與流體的解耦分析計(jì)算，并完成了解耦部分的計(jì)算程序。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)比較，該程序的可靠性得到了證實(shí)。

在PFRAC中，耦合部分的流體力學(xué)計(jì)算采用有限差分法，處理范圍包括二維移動(dòng)邊界條件和多樣流動(dòng)性能，如兩相流等；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)部分基于有限元方法，采用彈一塑性殼單元，適用于大變形情況。由于采用了顯式積分，避免了剛度矩陣求逆過(guò)程，提高了計(jì)算速度。缺點(diǎn)是流場(chǎng)計(jì)算精度不高，尤其是用磨損缺口的方法簡(jiǎn)化變形后的管壁斷面，與真實(shí)變形狀態(tài)不符。
PFRAC是為了分析天然氣管道斷裂問(wèn)題而發(fā)展的，也適用于其他壓力管道和容器的結(jié)構(gòu)分析。程序中管道內(nèi)壓可以表示為時(shí)間的函數(shù)，因此可以用來(lái)模擬多種載荷工況，包括穩(wěn)態(tài)壓力、變化壓力、沖擊載菏等。作為特例，該程序也可以對(duì)未開裂管道或容器在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和沖擊載荷作用下進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。在程序單元庫(kù)中包括彈簧單元、梁?jiǎn)卧�、三角形板（殼）單元、矩形板（殼）單元、管道單元、六面體實(shí)體單元等，也可以利用這些單元進(jìn)行組合受力分析。

PFRAC程序在應(yīng)用中不斷得到改進(jìn)。Kanninen和O’Donoghue(1994)提出可以用裂紋尖端張開角CTOA(Crack Tip Opening Angle）作為對(duì)延性材料進(jìn)行管道動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展和止裂的定量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，給出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)作了比較。

莊茁和O'Donoghue(1996）將PFRAC應(yīng)用于小規(guī)模PE管道的穩(wěn)態(tài)斷裂S4(small-scale steady state）實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬問(wèn)題，將得到的材料斷裂韌性G_d和臨界壓力p_c隨溫度、壁厚及裂紋速度變化的關(guān)系同實(shí)驗(yàn)結(jié)果阮較，以此定量評(píng)估全尺寸的管道斷裂問(wèn)題，并在程序中加入針對(duì)附加止裂構(gòu)件的分析功能并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較。次年他們比較了不同邊界條件下的輸氣管線裂紋快速擴(kuò)展問(wèn)題RCP(Rapid Crack Propagation）的PFRAC計(jì)算結(jié)果，指出軸向邊界條件對(duì)管線斷裂分析起重要作用，而端部邊界條件則影響甚微。1998年考慮了管道和巖土的共同工作，給出的有無(wú)覆蓋土層裂紋驅(qū)動(dòng)力的變化規(guī)律同預(yù)計(jì)趨勢(shì)相一致。
由小川和莊茁（1999）作了鋼制管道的斷裂性能評(píng)價(jià)，進(jìn)而分析了動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展中的尺寸效應(yīng)。郭永進(jìn)，莊茁（1999）考慮了裂紋快速擴(kuò)展中的溫度效應(yīng)。莊茁，曲紹興等（2000）發(fā)展了纖維動(dòng)態(tài)橋連模型并應(yīng)用于PFRAC，以模擬纖維增韌PE管道的動(dòng)態(tài)斷裂性能。在以上研究?jī)?nèi)容中，裂紋擴(kuò)展速度均取為實(shí)測(cè)或估計(jì)的恒定值。
求解裂紋驅(qū)動(dòng)力不限于節(jié)點(diǎn)力釋放技術(shù)一條途徑。莊茁和O'Donoghue(1997）發(fā)展了能量平衡方法的數(shù)值計(jì)算模型，引申了各物理量的變化規(guī)律，并對(duì)兩種算法得到的結(jié)果進(jìn)行了相互驗(yàn)證。J,G.Wi11iams提出了天然氣管道裂紋擴(kuò)展分析等效梁模型，在此基礎(chǔ)上，莊茁考慮彈性地基對(duì)開裂管道的影響，應(yīng)用半解析半數(shù)值解法，給出了最小二乘法解答。
英國(guó)的Ivankovic等人（1997）引入有限體積法FVM(Finite Volume Method）求解輸氣管道裂紋擴(kuò)展問(wèn)題，其中流場(chǎng)的計(jì)算引入了多重網(wǎng)格方法，即壓力和速度不在同一網(wǎng)格下求解，并給出了針對(duì)小規(guī)模PE管道穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展問(wèn)題的計(jì)算結(jié)果。應(yīng)用PFRAC程序和FVM計(jì)算天然氣PE管道，在相同幾何條件和荷載工況的前提下，所得裂紋驅(qū)動(dòng)力的量值是一致的，但峰值所對(duì)應(yīng)的裂紋速度區(qū)域略有差別。
1.3.2基于實(shí)驗(yàn)的止裂韌性判定

在延性斷裂的止裂研究中，人們一直試圖確定材料的韌性值達(dá)到多大，可以使管線具有足夠的止裂能力。美國(guó)BMI(Battelle Memorial Institute）是進(jìn)行天然氣管線止裂問(wèn)題研究最早的機(jī)構(gòu)，進(jìn)行管線止裂研究的主要機(jī)構(gòu)還有美國(guó)的AISI(American Iron & Steel Institute）和SwRI(Southwest Research Institute),歐洲的EPRG(European Pipeline Research Group)，英國(guó)的BGC(British Gas CoMPany)，意大利的CSM(Centrol Sviluppo Materiali)，日本的JISI(Japan Iron & Steel Institute）和Kawasaki Steel等。
20世紀(jì)70年代，當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到管線上存在延性裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展時(shí)，材料的斷裂理論還不完善。早期工作的主要途徑是通過(guò)模擬加壓管線截取段的辦法進(jìn)行全尺寸實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理鑒定歸納如何控制延性裂紋擴(kuò)展。這種全尺寸實(shí)驗(yàn)方法成為了一種標(biāo)準(zhǔn)的確定止裂韌性的方法。
由于全尺寸實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)，難以控制實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，且結(jié)果僅對(duì)應(yīng)于特定的天然氣成分、管道性能等因素，因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的特性進(jìn)行定量化以用于動(dòng)態(tài)延性斷裂止裂設(shè)計(jì)，也就是需要小尺寸的韌性實(shí)驗(yàn)。
三點(diǎn)彎曲沖擊實(shí)驗(yàn)CVN(Charpy V-Notch）是被廣泛采用的測(cè)定鋼材斷裂韌性的方法。落錘撕裂實(shí)驗(yàn)DWTT(Drop Weight Tear Test）作為修正CVN實(shí)驗(yàn)誤差的替代方法，被用來(lái)測(cè)量裂紋擴(kuò)展時(shí)的有效能量，測(cè)到的能量可用于推斷臨界裂紋尖端張開角（CTOA)c，也可單獨(dú)作為韌性判據(jù)。將實(shí)測(cè)的（CTOA)_C同計(jì)算得到的CTOA進(jìn)行比較，可作為評(píng)估壓力管道裂紋擴(kuò)展和止裂的判據(jù)之一。

對(duì)于PE管道，在比利時(shí)Gent大學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)的Robertson實(shí)驗(yàn)，用擺錘撞擊帶有預(yù)留凹口的較短實(shí)驗(yàn)管道。為了彌補(bǔ)難以形成穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展速度的不足，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院發(fā)展了S4實(shí)驗(yàn)，得到了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的條件。通過(guò)S4實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展速度和氣體壓力變化，結(jié)合S4實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬分析，可以得到材料斷裂韌性和實(shí)際管道裂紋臨界擴(kuò)展壓力。
關(guān)于止裂韌性臨界值的預(yù)判模型，國(guó)際上應(yīng)用較多的是1975年BMI的Maxey等人建立的雙曲線(Two-Curve）方法。該方法假定氣體的解壓與動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展過(guò)程是可以通過(guò)斷裂速度聯(lián)系起來(lái)的兩個(gè)分離過(guò)程，建立了斷裂速度與減壓壓力或環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系。由于采用了兩個(gè)獨(dú)立步驟進(jìn)行計(jì)算，因而也被稱作Battelle兩步分析。
Bartell。兩步分析基于裂紋擴(kuò)展的減壓波速判據(jù)，提出了行之有效的數(shù)學(xué)解法，實(shí)現(xiàn)了直接由管道工作參數(shù)推斷出止裂所需的臨界CVN沖擊韌性。后來(lái)又總結(jié)了一系列簡(jiǎn)便的經(jīng)驗(yàn)公式。在當(dāng)時(shí)的條件下，全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)中所用的管線鋼CVN沖擊韌性一般不超過(guò)100J,CVN沖擊韌性足以描述不同鋼種的抗斷裂性能，雙曲線模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉寂c全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合得很好。

隨著管線輸送技術(shù)的發(fā)展，高壓力，高韌性鋼管逐漸投入使用。對(duì)于高韌性材料和具有上臺(tái)能（Rising-shelf）的材料，在引用的圖1-7中，基于標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊韌性的公式在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中可靠性不理想。B.N.Leis對(duì)此提出了修正算法，但仍未很好地解決這個(gè)問(wèn)題，并且失去了原有的物理意義。

DWTT最先于1953年被美國(guó)海軍用于根據(jù)斷口形貌確定鐵素體鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，近年來(lái)也用于Battelle雙曲線法確定止裂韌性。有研究表明，對(duì)于高韌性鋼制管道而言，基于DWTT實(shí)驗(yàn)的止裂預(yù)測(cè)比CVN實(shí)驗(yàn)更接近實(shí)測(cè)值，但無(wú)法根本上解決高壓高韌性管道止裂韌性預(yù)測(cè)與實(shí)際結(jié)果之間的較大偏差。

1.3.3管壁上的氣體壓力分布律

天然氣管道所受載荷為內(nèi)部氣體施加在管壁上的壓力。當(dāng)管道中裂紋起裂和擴(kuò)展時(shí)，氣體壓力直接作用在破壞了的管壁上，由于管壁呈非線性失穩(wěn)破壞，所以管壁變形計(jì)算是分析開裂管道的核心。管壁變形、氣體流動(dòng)和裂紋擴(kuò)展作為緊密相關(guān)的過(guò)程體現(xiàn)在管道破壞中，氣體壓力為管壁變形提供了驅(qū)動(dòng)力，而管道形狀和裂紋擴(kuò)展又影響著氣體的流動(dòng)。為了分析管道上裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的這種耦合作用，氣體壓力的計(jì)算是很重要的一步。
1.3.3.1氣體逸出流場(chǎng)解法的進(jìn)展與困難
早在1989年，美國(guó)西南研究院SwRI(Southwest Research Institute）就研究了針對(duì)壓力管道氣體逸出的流場(chǎng)數(shù)值解法。從當(dāng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果上來(lái)看，顯得還很不成熟。一是當(dāng)時(shí)為了簡(jiǎn)化邊界條件的處理，采用磨損變形前管壁的方法模擬管道的開裂過(guò)程，和實(shí)際情況不符；二是計(jì)算考慮裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展情形，即裂紋的速度恒定不變，如果采用伴隨裂紋運(yùn)動(dòng)的隨體坐標(biāo)系，裂紋發(fā)展充分后，裂尖后部一定距離的氣體壓力分布不隨裂尖到達(dá)的位置而變化，這樣問(wèn)題就可以簡(jiǎn)化為二維。實(shí)際上還是把三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為不同固壁截面形狀的二維流場(chǎng)。對(duì)于非穩(wěn)態(tài)裂紋擴(kuò)展，這種簡(jiǎn)化方式無(wú)法得出正確的結(jié)論。
耦合解法的實(shí)現(xiàn)是普遍關(guān)心的問(wèn)題。但管道破裂問(wèn)題的流固耦合有其獨(dú)特的復(fù)雜性。一是形成流場(chǎng)求解的固壁邊界條件的管道壁面發(fā)生難以預(yù)知的劇烈變形，這要求在侮一個(gè)微小的時(shí)間間隔，對(duì)待求解的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分，而變形后的管壁是極不規(guī)則的三維曲面，使得這一步驟的工作量達(dá)到了難以想象的程度；二是由于管道內(nèi)的氣體壓力極高，達(dá)到10MPa左右，即約100atm,因而氣體逸出的速度在裂尖附近達(dá)到超聲速，開始起裂到穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的過(guò)程中還可能伴隨有激波的出現(xiàn)。因此，自1989年至今，對(duì)高壓氣體逸出的流場(chǎng)解法還沒(méi)有大的突破。
為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和滿足工程的應(yīng)用，目前壓力管道內(nèi)氣體壓力分布規(guī)律的探索，包括Battene雙曲線法所用公式在內(nèi)，主要限于解耦方法，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所確定的管壁壓力分布模擬曲線被采用來(lái)代替氣體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。當(dāng)裂紋在管道上擴(kuò)展的過(guò)程中，裂紋前面的氣體減壓傳播，其數(shù)值低于初始?jí)毫χ祊_o，且主要取決于裂紋的擴(kuò)展速度。具體表達(dá)形式見(jiàn)2.2.2.4節(jié)。
1.3.3.2自由射流場(chǎng)解法進(jìn)展
與壓力管道上的裂紋擴(kuò)展同時(shí)，氣體從裂紋尖端高速逸出形成復(fù)雜的射流場(chǎng)。本文希望利用目前比較成熟的計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)管道斷裂的射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇合適的計(jì)算方法，分析內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)斷裂過(guò)程的影響，以及外流場(chǎng)氣體的逸出速度，以便對(duì)氣體壓力模式進(jìn)行校驗(yàn)和修正。

當(dāng)流體從窄小通道噴出，不受任何限制地流入靜止流體中時(shí)，會(huì)在靜止流體中出現(xiàn)一股有界面的流動(dòng)，即射流。

圖1-8顯示的是亞聲速自由射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在亞聲速自由射流中，流場(chǎng)內(nèi)存在速度保持出口速度的區(qū)域，被稱為射流核心區(qū)。射流與周圍靜止流體之間存在物理量不連續(xù)的切向間斷面，間斷面處有強(qiáng)烈摻混的旋渦微團(tuán)，從而引起射流與周圍流體間的動(dòng)量交換、熱量交換及質(zhì)量交換。由于粘性作用原來(lái)靜止的流體會(huì)被射流卷吸到射流中，這種現(xiàn)象稱為射流的卷吸作用。同一截面上中心線處的流速最大，離中心線越遠(yuǎn)處的流速越小。隨著射流向下游流動(dòng)，其中心線處的流速逐漸減小。隨著往下游遷移，射流的寬度逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為射流的擴(kuò)散現(xiàn)象。
亞聲速自由射流在形成穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)后，整個(gè)射流可劃分為幾個(gè)區(qū)段：由噴口邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的紊動(dòng)摻混部分為紊動(dòng)剪切層混合區(qū)；中心部分未受摻混影響，保持原來(lái)出口流速，稱為核心區(qū)，出口至核心區(qū)末端的一段稱為射流的起始段。紊動(dòng)充分發(fā)展以后的部分稱為射流的主體段。主體段與起始段之間的區(qū)域稱為過(guò)渡段。

對(duì)于圖1-9所示的欠膨脹超聲速自由射流，當(dāng)射擊流從出口射入靜止大氣中的時(shí)候，由于出口截面上的射流的靜壓p₁大于環(huán)境壓力p_a，在裂尖的邊緣將發(fā)出兩族膨脹波，這兩族膨脹波在中心流線相交，氣體經(jīng)過(guò)膨脹波使靜壓由p₁降到p_a，經(jīng)膨脹波后氣流，其自由邊界向外擴(kuò)張。兩族膨脹波相交之后互相穿過(guò)，并保持為膨脹波。這些膨脹波在自由邊界反射回來(lái)形成兩族壓縮波，并使氣流邊界向內(nèi)收縮。這兩族壓縮波相互穿過(guò)并在自由邊界上反射回膨脹波，這種波的相互與反射現(xiàn)象不斷地進(jìn)行下去，逐漸衰減。

隨著內(nèi)外壓強(qiáng)比的增大，欠膨脹自由射流將會(huì)在噴嘴出品附近產(chǎn)生馬赫盤，可能形成包括膨脹波、攔截激波、馬赫盤、反射激波、滑移線和射流邊界等復(fù)雜波系的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如力1-10所示。

1.4本文工作思路

綜上所述，輸氣管道動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展與止裂的研究還處理不完善的階段�，F(xiàn)有的可靠性判斷方法基本都是從有限的全尺寸實(shí)驗(yàn)歸納出經(jīng)驗(yàn)性的判據(jù)公式。再通過(guò)代入小試件實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性做出的簡(jiǎn)單判斷。這種方法只能給出一個(gè)簡(jiǎn)單的臨界韌性參數(shù)，無(wú)法模擬裂紋擴(kuò)展的全過(guò)程。另外，即使最成熟的Battelle雙曲線法，其在高韌性條件下的準(zhǔn)確程度也受到了廣泛質(zhì)疑。

全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)的思路是在管道中部設(shè)置韌性很低的起裂管和預(yù)制裂紋，向兩端焊接韌性依次升高的管段，并以裂紋停止的管段的韌性作為臨界斷裂韌性（后文有詳述）。近年來(lái)對(duì)高韌性管道的全尺寸實(shí)驗(yàn)表明，即便在韌性低于止裂段很多的管段，也出現(xiàn)了明顯的裂紋減速與止裂的現(xiàn)象。由此不難推論，只要測(cè)試管段足夠長(zhǎng)，完全可以令裂紋在低韌性段止裂。也就是說(shuō)除了臨界止裂韌性以外，還需要?jiǎng)e的參數(shù)來(lái)描述管道的止裂能力，比如一定工況一定韌性下的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度。

PFRAC程序最初于1989年由SwRI開發(fā)，主要用途就是管道裂紋擴(kuò)展。本文工作以前的程序只考慮了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的內(nèi)容，即指定裂紋的擴(kuò)展速度，計(jì)算得出裂紋驅(qū)動(dòng)力G與管道韌性G_d相比較。這一做法在解決工程問(wèn)題時(shí)遇到很多困難。首先是裂紋的擴(kuò)展速度很難選擇，對(duì)于高韌性管段無(wú)不存在明顯的減速現(xiàn)象，難以找到一個(gè)穩(wěn)態(tài)的擴(kuò)展階段；其次是對(duì)于高壓鋼制管道，計(jì)算得到的裂紋驅(qū)動(dòng)力G無(wú)一例外地遠(yuǎn)高于估計(jì)的G_d值，因而并不能得到量化的有價(jià)值的結(jié)論；第三是隨著管道壓力的升高，超聲速射流和激波有了出現(xiàn)的可能，原有的氣體壓力模式是否依然適用，衰減長(zhǎng)度L的取值范圍等均成為有待驗(yàn)證的問(wèn)題。

本文試圖從數(shù)值解法入手，在PFRAC程序的基礎(chǔ)上，除韌性判據(jù)以外，加入止裂位置的判據(jù)，即全程動(dòng)態(tài)模擬管道裂紋的擴(kuò)展與止裂全過(guò)程，并通過(guò)國(guó)外現(xiàn)有的全尺寸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和標(biāo)定。這意味著待求解的問(wèn)題從穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)擴(kuò)展，同時(shí)需要在程序中加入從前沒(méi)有的韌性參數(shù)以控制止裂的速度，并發(fā)展與之相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)方法，最終用于數(shù)值計(jì)算。
鑒于CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性己經(jīng)不能夠很好滿足的高韌性管線鋼止裂韌性預(yù)測(cè)的需要，本文從近年來(lái)流行的CTOA判據(jù)入手，在減速模型中加入CTOA的計(jì)算，并和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的（CTOA)_C進(jìn)行比較，在分析、綜合的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建出一套基于CTOA的止裂判定方法，與前者相互驗(yàn)證。

相關(guān)自由射流場(chǎng)的計(jì)算，本文考慮了空氣和甲烷的兩相成分，利用PFRAC計(jì)算出的某時(shí)刻管壁的變形狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)速度，進(jìn)行實(shí)時(shí)的非定常求解，收斂達(dá)到的定常狀態(tài)即裂紋穩(wěn)態(tài)護(hù)展時(shí)隨本坐標(biāo)下的氣流場(chǎng)分布。沿管道某一軸線，壓力與軸向坐標(biāo)的關(guān)系可看作裂紋途經(jīng)的某點(diǎn)從裂紋前端到后端的減速歷史。

此外，本課題還進(jìn)行了輸氣管道上止裂環(huán)的設(shè)計(jì)與研究，由于止裂環(huán)未被西氣東輸管線工程所采用，故不作為本文敘述的重點(diǎn)。