管线钢在役焊接接头应力分析

论文摘要

在役焊接是在管线运行状态下进行焊接作业的,由于焊接时管道内存在高压流动介质,必然对焊接作业的安全性和焊后管道的使用性造成影响。全文以热—弹塑性理论为依据,考虑了材料性能随温度的变化,利用SYSWLED大型非线性有限元分析软件,深入分析了管道内介质之间的换热过程和特点,修正了现行管内强制对流换热系数的准则方程,并通过对管内加载均匀压力实现了管线钢在役焊接三维实体模型的数值模拟。从而为管线钢在役焊接修复提供理论依据,有助于推动油气管道在役修复技术的发展和应用。对比在役焊接和常规焊接的热循环发现,在役焊接冷却速度远大于常规焊接。气管线在役焊接和常规焊接接头残余应力分布规律基本一致,在近缝区管道内壁的轴向和环向残余应力均为拉应力,管道外壁轴向应力为压应力,环向应力为拉应力。在役焊接时,焊接残余应力随焊接线能量的增加而增大,随管内介质流速的增大而减小;管内压力增大,轴向残余应力减小,环向残余应力增大;随管径的增大,近缝区轴向残余应力减小而环向残余应力增大。建立套管在役焊接修复模型,获得套管多道焊接接头残余应力的分布情况,并研究了在役条件对多道焊接后残余应力的影响。通过对数值模拟结果的分析表明:焊接高温时焊缝及近缝区产生的塑性压缩变形和焊接冷却时的受制收缩是产生残余应力的主要原因。在役焊接时,高速流动的管内介质加快了焊接冷却速度,增加了焊接热收缩变形,减小了相变对焊接残余应力的缓释作用;管内压力限制接头区产生“内凸外凹”的焊接变形是影响在役焊接残余应力分布的重要因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 管道建设的发展及管道修复技术
• 1.2.1 管线钢的发展和管道建设
• 1.2.2 油气管道的失效及修复技术
• 1.3 在役焊接修复技术及研究进展
• 1.3.1 在役焊接修复技术的特点
• 1.3.2 在役焊接中存在的问题
• 1.4 数值模拟在焊接中的应用
• 1.4.1 焊接应力预测理论和数值模拟技术的发展现状
• 1.4.2 数值模拟在在役焊接中的应用
• 1.5 课题研究的主要内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 主要内容
• 第二章 焊接数值模拟的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 焊接温度场的数值模型
• 2.2.1 导热基本定律
• 2.2.2 导热问题的数学描述
• 2.2.3 焊接热源的确定
• 2.2.4 焊接熔池的数学描述
• 2.3 焊接力学行为的数值模型
• 2.3.1 热弹塑性理论的增量本构方程
• 2.3.2 单元刚度距阵及等效节点载荷的形成
• 2.3.3 有限元方法的求解及应力应变场的计算
• 2.4 有限元模拟软件SYSWELD 的选用
• 2.5 本章小结
• 第三章 管线钢在役焊接的残余应力的计算
• 3.1 引言
• 3.2 管线钢的热物理性能和力学性能
• 3.3 运行管道在役焊接接头的换热机理及换热系数
• 3.4 在役焊接管道的几何模型
• 3.5 在役焊接温度场的模拟
• 3.5.1 在役焊接温度场的校验
• 3.5.2 气管线在役焊接热循环与常规焊接的对比
• 3.6 在役焊接应力场的模拟
• 3.6.1 常规焊接接头残余应力的云图分布
• 3.6.2 在役焊接接头残余应力的云图分布
• 3.6.3 在役焊接与常规焊接残余应力对比
• 3.7 本章小结
• 第四章 在役焊接残余应力的形成机理及规律
• 4.1 引言
• 4.2 管线钢焊接残余应力形成机理
• 4.3 管线钢在役焊接残余应力形成机理的初步讨论
• 4.4 在役焊接接头残余应力分布的影响因素
• 4.4.1 焊接线能量的影响
• 4.4.2 管内气体流速的影响
• 4.4.3 管内压力的影响
• 4.4.4 管道外径的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 在役焊接多道焊的残余应力
• 5.1 引言
• 5.2 套管多道焊的数值模拟
• 5.2.1 套管焊接的几何模型
• 5.2.2 多道焊热循环
• 5.2.3 套管多道焊残余应力分布
• 5.3 在役条件对多道焊残余应力的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢