基于极限载荷的在用含未焊透缺陷压力管道安全性分析

论文摘要

由于工业压力管道大多采用现场手工电弧焊焊接,焊缝内部不可避免地存在缺陷,其中尤以未焊透缺陷为最主要且数量最多,对工业压力管道的安全构成严重的威胁。因而,正确评价未焊透缺陷的危害性对于确保工业压力管道的安全运行具有十分重要的意义。我国工业压力管道多数采用韧性较好的中低强度钢,其失效模式为塑性极限载荷控制的韧性失效。本文针对20号钢含未焊透缺陷压力管道在纯内压、纯弯矩、纯扭矩以及组合载荷作用下的塑性极限载荷及其安全评定技术进行系统的理论、有限元和试验研究。主要研究成果和创新点如下：(1)得到了在内压、弯矩、扭矩组合载荷共同作用下的含未焊透缺陷压力管道的塑性极限载荷理论计算公式,扩展了原来只适用于拉、弯组合载荷的净截面垮塌准则(NSC准则)的应用范围。并利用非线性有限元方法验证了理论公式的准确性。(2)得到了综合考虑未焊透缺陷环向长度、深度以及管径比等影响因素的含未焊透缺陷压力管道塑性极限内压、极限弯矩、极限扭矩工程估算公式。(3)设计加工了组合载荷作用下压力管道的四点弯试验装置,进行了极限载荷试验测试,验证了有限元计算的可行性,同时验证了工程估算公式的有效性。(4)建立了基于内压、弯矩、扭矩组合载荷作用下的含未焊透缺陷20号钢工业压力管道安全评定方法。利用建立的安全评定方法对两条被《在用工业管道定期检验规程》定级为4级的在用工业压力管道进行了安全评定。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外含缺陷压力管道研究概况
• 1.2.1 国内外含缺陷压力管道研究概况
• 1.2.2 国内外含缺陷压力管道安全评定规范简介
• 1.3 国内外含缺陷压力管道安全评定的发展趋势
• 1.3.1 国外含缺陷压力管道安全评定的发展趋势
• 1.3.2 国内含缺陷压力管道安全评定的发展趋势
• 1.4 含未焊透缺陷压力管道失效模式与缺陷评定方法
• 1.4.1 含未焊透缺陷压力管道潜在的失效模式
• 1.4.2 含未焊透缺陷压力管道的极限分析法
• 1.5 本文研究内容和方法
• 第2章 极限载荷的理论分析
• 2.1 净截面失效准则（NSC准则）扩展分析假设
• 2.1.1 NSC准则简介
• 2.1.2 NSC准则的扩展及分析假设
• 2.2 缺陷管道的塑性极限载荷的分析
• 2.2.1 无缺陷管道的塑性极限内压
• 2.2.2 缺陷管道的塑性极限弯矩
• 2.2.3 缺陷管道的塑性极限扭矩
• 2.3 基于扩展NSC准则的含未焊透缺陷管道塑性极限载荷分析
• 2.3.1 塑性极限状态时管道截面正应力σ1,σ2的确定
• 2.3.2 含未焊透缺陷管道的塑性极限载荷理论分析
• 2.4 小结
• 第3章 极限载荷的有限元非线性计算
• 3.1 有限元法简介
• 3.1.1 有限元理论求解步骤
• 3.1.2 本文选用的有限元软件
• 3.2 有限元分析过程
• 3.2.1 实体模型建立
• 3.2.2 计算模型的建立及材料性能数据
• 3.2.3 载荷和边界条件的确定
• 3.2.4 非线性分析的设置
• 3.2.5 塑性极限载荷确定方法
• 3.3 极限载荷有限元计算方案
• 3.3.1 正交实验设计简介
• 3.3.2 正交实验计算方案
• 3.4 有限元计算结果与分析
• 3.5 含缺陷管道极限载荷工程估算公式拟合
• 3.6 小结
• 第4章 含未焊透缺陷压力管道极限载荷的试验研究
• 4.1 试验方案的确定
• 4.2 材料性能测试
• 4.3 试件和加载装置的设计与加工
• 4.3.1 试件的设计与加工
• 4.3.2 加载装置的设计加工
• 4.4 试验流程
• 4.4.1 应变片的选取及贴片方案
• 4.4.2 试验准备工作
• 4.4.3 试验操作过程
• 4.5 试验数据的整理和有限元计算的试验验证
• 4.5.1 纯内压作用下塑性极限载荷
• 4.5.2 纯弯矩作用下塑性极限载荷
• 4.5.3 内压和弯矩组合载荷作用下塑性极限载荷
• 4.6 含缺陷管道极限载荷工程估算公式的试验验证
• 4.7 试验偏差原因分析
• 4.8 小结
• 第5章 含未焊透缺陷压力管道安全评定方法及工程应用研究
• 5.1 安全评定方程
• 5.1.1 评定方程适用范围
• 5.1.2 安全评定曲面及方程的建立
• 5.2 含未焊透缺陷压力管道安全评定方法
• 5.2.1 缺陷的规则化
• 5.2.2 缺陷规则化尺寸的无量纲化处理
• 5.2.3 无缺陷管道在单一载荷下的塑性极限载荷的确定
• 5.2.4 含未焊透缺陷管道在单一载荷下塑性极限载荷的确定
• 5.2.5 典型工况组合载荷下缺陷处弯矩、扭矩的计算
• 5.2.6 安全性评价
• 5.3 安全评定方法工程应用实例
• 5.3.1 管系现场检测数据
• 5.3.2 管系缺陷尺寸的确定及其尺寸的无量纲化处理
• 5.3.3 无缺陷管在纯内压、纯弯矩和纯扭矩下的塑性极限载荷
• 5.3.4 含缺陷管系在纯内压、纯弯矩和纯扭矩下的塑性极限载荷
• 5.3.5 管系在缺陷处所受载荷的计算
• 5.3.6 含未焊透缺陷管系的安全性评定
• 5.3.7 含未焊透缺陷管系的静强度校核
• 5.4 小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 本文主要研究结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 课题展望
• 参考文献
• 在读期间录用发表的论文和所获荣誉