输油管道补板焊接修复结构有限元分析.pdf

《输油管道补板焊接修复结构有限元分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、５２２化工机械２０１６年输油管道补板焊接修复结构有限元分析王友义*魏立新吴迪王沛迪王子健（东北石油大学石油工程学院）摘要补板修复是一种常用的输油管道焊接修复技术，焊接过程中不可避免的会产生残余应力，在应力水平较大处，管道易发生失效。基于有限元法，采用顺序耦合的方法和随温度变化的材料参数，运用有限元分析软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ，以管道穿孔后补板修复为例，分析了补板焊接修复过程应力、温度场的分布情况和随时间的变化规律。结果表明：冷却后补板和补板周围的残余应力最大，残余应力主要由焊接热循环引起，管道内压对残余应力的影响很小。关键词输油管道补板修复焊接有限

2、元残余应力＋中图分类号ＴＱ０５５．８１文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１６）０４-０５２２-０４输油管道服役过程中，由于腐蚀或第三方破的复杂过程。而目前尚未有输油管道补板焊接修坏经常会出现穿孔或壁厚减薄导致泄漏的情况。复过程中各时刻温度场下管道应力分析的报道。焊接修复技术例如套管、接管及补板等是常用的对此，笔者基于有限元法，采用顺序耦合的方法和［１］修复方法。补板修复技术是指直接在缺陷外随温度变化的材料参数，以管道穿孔后补板焊接焊上一块加强板，焊接时，通过夹具使加强板固定修复为例，运用有限元分析软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ分析在管道上，待焊

3、料与管道外壁融合、冷却固定后，该过程的温度、应力分布情况和随时间变化规律。将夹具移去。相比于其他修复技术，补板修复技１数学模型术更加方便快捷。１．１传热分析管道在受损修复后，几何形状与管道修建时构造试探函数，代入热传导方程、初始条件、已有很大不同，焊接过程中不可避免的会产生残边界条件中，得到残差，通过加权余量法，经整理余应力，应力分布发生巨大变化，在应力水平较大得到矩阵方程：处易导致管道失效。因此需要研究管道焊接过程∂ＫＴ＋ＣＴ＝Ｐ（１）∂ｔ中和焊接后的温度场、应力场分布及其变化规律，其中，Ｋ是热传导矩阵，Ｔ是节点温度列向为管道焊接修复结构安全

4、评价提供基础。李国成量，Ｃ是热容矩阵，Ｐ是温度载荷列向量。求解Ｔ和王保兴应用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ，对工业即可得到温度场。管道多道焊进行温度场和残余应力场的数值模［２］１．２应力分析拟，分析了冷却时间对残余应力的影响。罗云在弹性范围内存在：等采用有限元法，编写了移动热源子程序，与套管τ内压进行耦合计算，得到了套管温度场和应力场Δσ＝Ｄｅ（Δε－Δε０），ｔ≤τ≤ｔ＋Δｔ（２）［３］τ－１分布规律。帅健对补板修复结构进行了模ｄＤｅ［４］其中，Δε０＝（α＋σ）ΔＴ，表示温度变化拟，并完成了管道焊接修复结构的全尺寸爆破ｄＴ［５］［６］试验，分析

5、了应力集中、屈服载荷等，验证了修引起的应变；α为热膨胀系数矩阵。复结构的承压能力。将增量形式的虚位移原理表示成矩阵形［７］焊接问题是一个包含热力耦合、热冶金耦合式，并代入（２）式得：*王友义，男，１９９２年９月生，硕士研究生。黑龙江省大庆市，１６３３１８。第４３卷第４期化工机械５２３ＴτＴτＴｔＴｔ＋Δｔ-ＦｄＶ＋Ｔｔ＋ΔｔＴ-ｄＳ（３）∫Ｖδ（Δε）ＤΔεｄＶ－∫Ｖδ（Δε）ＤΔε０ｄＶ＝∫Ｖδ（Δε）σｄＶ＋∫Ｖδ（Δｕ）∫Ｓδ（Δｕ）引入试函数Δｕ＝ＮΔａ，再利用几何关系得到Δε＝ＢΔａ，并代入式（３），消去虚位移，得到系统的平衡方程：τ

6、ｔ＋ΔｔｔＫΔａ＝ΔＲ＋Ｑ－Ｑ（４）ｌｉτＴτ其中，Ｋ＝∫ＶＢＤＢｄＶ为总体刚度矩阵，ＴΔＲ＝∫ＶＢＤΔε０ｄＶ为单元引起的初应变等效节ｔ＋ΔｔＴｔ＋Δｔ-ＦｄＶ＋Ｔｔ＋ΔｔＴ-ｄＳ点力增量向量，Ｑ＝ＮＮｌ∫Ｖ∫Ｓ图１补板修复结构几何模型及其网格划分ｔＴｔ为ｔ＋Δｔ时刻的外载荷向量，Ｑｉ＝∫ＶＢσｄＶ为ｔ时２．２材料参数及边界条件管道、焊缝、补板材料都是３１６不锈钢，材料刻的内力向量。简化为理想弹塑性材料，材料参数见文献［８］，管２有限元模型道内压２．１ＭＰａ，补板被夹具固定。焊接速度２．１几何模型及网格划分２ｍｍ／ｓ，热源采用标准的Ｇｏｌｄａ

7、ｋ双椭球热源模［９］管道内径１００ｍｍ，壁厚１０ｍｍ，穿孔直径型，焊接电压１１０Ｖ，电流２８Ａ，有效功率系数为１０ｍｍ，补板厚１０ｍｍ、轴向长６０ｍｍ、环向宽６０°，０．７，焊接路径为Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ。输送介质温在ＡＢＡＱＵＳ软件中建模并划分网格，采用Ｃ３Ｄ８度、环境温度、初始温度为２０℃，焊后冷却到常单元，划分网格后导入ＭＳＣ．Ｍａｒｃ中。几何模型温。考虑到辐射和管内输送介质流速对对流换热［１０～１２］及其网格划分如图１所示。的影响，采用修正后的换热系数：－８２２α＝０．８×５．６７×１０×［（２７３．１５＋Ｔ）＋（２７３．１５＋Ｔ）］×［

8、（２７３．１５＋Ｔ）＋（２７３．１５＋Ｔ）］＋０００．１４λ０．８１／３１．８１６５μｆ０．０２７ＲｅＰｒ（５）ｄ０．１０６４μ（２７３．１５＋Ｔ）０