高压弯管侵蚀缺陷残余强度研究：基于爆破试验的失效准则优化与数学模型构建

推荐：针对高压测试流程中弯管因固相流体侵蚀导致壁厚减薄引发的安全隐患，研究人员通过爆破试验验证残余强度仿真模型并优化失效准则，结合宏观/电镜扫描分析缺陷形貌，建立缺陷参数与残余强度的数学关系，为无损检测提供理论依据，保障油气田高压测试安全。

　　

在油气田开发过程中，高压测试流程（test flow）是获取地层流体参数的核心装备，但其长期暴露于含砂高速流体的严苛环境中，弯管等关键部件内壁易发生侵蚀磨损（erosion wear），导致壁厚减薄甚至破裂失效。目前行业面临两大难题：一是缺乏明确的弯管报废标准，二是针对高压厚壁管道的残余强度（residual strength）研究不足。这些问题可能引发重大安全事故，造成巨额经济损失。

为攻克这些技术瓶颈，中国某高校（根据文中国家自然科学基金和四川省科技基金资助信息推断为国内机构）的研究团队开展了一项创新性研究。他们首先通过预制缺陷弯管的爆破试验（blasting test），验证了有限元仿真模型的准确性，并优化了失效判定准则。随后，结合现场使用后失效弯管的宏观形貌分析和扫描电镜（SEM）检测数据，建立了典型侵蚀缺陷的简化模型。通过系统分析缺陷长度、宽度和深度对残余强度的影响规律，最终构建了压力与缺陷参数的非线性数学模型。这项发表于《Geoenergy Science and Engineering》的研究，为高压测试流程的安全评估提供了重要技术支撑。

研究团队主要采用三大关键技术：1）通过水压爆破试验装置获取实际失效压力数据；2）基于电子显微镜扫描和三维建模技术重构缺陷形貌；3）运用非线性回归方法建立残余强度预测模型。这些方法有机结合，形成了从实验验证到工程应用的完整研究链条。

【材料本构模型】
通过拉伸试验获取测试流程材料的力学性能参数，为仿真提供基础数据。三组平行试验显示材料具有显著屈服平台，符合高压管道用钢特性。

【实验设计】
自主设计的爆破试验装置包含液压控制系统和应变监测系统，可精确记录缺陷部位应变分布。试验发现缺陷深度增加10%，爆破压力下降15-20%，验证了缺陷深度是影响残余强度的主导因素。

【缺陷形貌分析】
对服役后弯管的检测表明，出口段颈部呈现典型的椭圆形侵蚀坑（elliptical defect），最大深度达壁厚的40%。电镜分析揭示缺陷表面存在蜂窝状侵蚀形貌，证实其为固相颗粒冲击所致。

【弯管建模】
建立包含简化缺陷的有限元模型时，研究者做出两项关键假设：忽略流体摩擦力和残余应力影响。这种简化使模型在保证精度的前提下显著提升计算效率。

【结论】
1）爆破试验与仿真结果吻合度达92%，验证了模型的可靠性；2）缺陷深度对残余强度的影响呈指数关系，而长度和宽度呈线性相关；3）建立的数学模型可快速预测不同缺陷参数下的安全承压能力。该研究不仅填补了高压厚壁管道评估标准空白，其提出的"实验-仿真-模型"三位一体研究方法，也为其他工业设备的寿命预测提供了新思路。

讨论部分强调，当前模型未考虑多缺陷耦合作用，未来需进一步研究复杂缺陷的相互作用机制。研究获得国家自然科学基金（52204015）和四川省科技计划（2023NSFSC0920）支持，体现了其在能源装备安全领域的重大战略价值。