輸油管道補(bǔ)板焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)有限元分析

王友義 魏立新 吳 迪 王沛迪 王子健

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

輸油管道補(bǔ)板焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)有限元分析

王友義*魏立新 吳 迪 王沛迪 王子健

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院)

補(bǔ)板修復(fù)是一種常用的輸油管道焊接修復(fù)技術(shù)，焊接過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在應(yīng)力水平較大處，管道易發(fā)生失效。基于有限元法，采用順序耦合的方法和隨溫度變化的材料參數(shù)，運(yùn)用有限元分析軟件MSC.Marc，以管道穿孔后補(bǔ)板修復(fù)為例，分析了補(bǔ)板焊接修復(fù)過程應(yīng)力、溫度場(chǎng)的分布情況和隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：冷卻后補(bǔ)板和補(bǔ)板周圍的殘余應(yīng)力最大，殘余應(yīng)力主要由焊接熱循環(huán)引起，管道內(nèi)壓對(duì)殘余應(yīng)力的影響很小。

輸油管道 補(bǔ)板修復(fù) 焊接 有限元 殘余應(yīng)力

輸油管道服役過程中，由于腐蝕或第三方破壞經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)穿孔或壁厚減薄導(dǎo)致泄漏的情況。焊接修復(fù)技術(shù)例如套管、接管及補(bǔ)板等是常用的修復(fù)方法[1]。補(bǔ)板修復(fù)技術(shù)是指直接在缺陷外焊上一塊加強(qiáng)板，焊接時(shí)，通過夾具使加強(qiáng)板固定在管道上，待焊料與管道外壁融合、冷卻固定后，將夾具移去。相比于其他修復(fù)技術(shù)，補(bǔ)板修復(fù)技術(shù)更加方便快捷。

管道在受損修復(fù)后，幾何形狀與管道修建時(shí)已有很大不同，焊接過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，應(yīng)力分布發(fā)生巨大變化，在應(yīng)力水平較大處易導(dǎo)致管道失效。因此需要研究管道焊接過程中和焊接后的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布及其變化規(guī)律，為管道焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。李國成和王保興應(yīng)用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)工業(yè)管道多道焊進(jìn)行溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析了冷卻時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響[2]。羅云等采用有限元法，編寫了移動(dòng)熱源子程序，與套管內(nèi)壓進(jìn)行耦合計(jì)算，得到了套管溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律[3]。帥健對(duì)補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬[4]，并完成了管道焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)的全尺寸爆破試驗(yàn)[5]，分析了應(yīng)力集中、屈服載荷等，驗(yàn)證了修復(fù)結(jié)構(gòu)的承壓能力。

焊接問題是一個(gè)包含熱力耦合、熱冶金耦合的復(fù)雜過程。而目前尚未有輸油管道補(bǔ)板焊接修復(fù)過程中各時(shí)刻溫度場(chǎng)下管道應(yīng)力分析的報(bào)道。對(duì)此，筆者基于有限元法，采用順序耦合的方法和隨溫度變化的材料參數(shù)，以管道穿孔后補(bǔ)板焊接修復(fù)為例，運(yùn)用有限元分析軟件MSC.Marc分析該過程的溫度、應(yīng)力分布情況和隨時(shí)間變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 傳熱分析

構(gòu)造試探函數(shù)，代入熱傳導(dǎo)方程、初始條件、邊界條件中，得到殘差，通過加權(quán)余量法，經(jīng)整理得到矩陣方程：

(1)

其中，K是熱傳導(dǎo)矩陣，T是節(jié)點(diǎn)溫度列向量，C是熱容矩陣，P是溫度載荷列向量。求解T即可得到溫度場(chǎng)。

1.2 應(yīng)力分析

在彈性范圍內(nèi)存在：

Δσ=τDe(Δε-Δε0),t≤τ≤t+Δt

(2)

將增量形式的虛位移原理表示成矩陣形式[7]，并代入(2)式得：

(3)

引入試函數(shù)Δu=NΔa，再利用幾何關(guān)系得到Δε=BΔa，并代入式(3)，消去虛位移，得到系統(tǒng)的平衡方程：

τKΔa=ΔR+t+ΔtQl-tQi

(4)

2 有限元模型

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

管道內(nèi)徑100mm，壁厚10mm，穿孔直徑10mm，補(bǔ)板厚10mm、軸向長60mm、環(huán)向?qū)?0°，在ABAQUS軟件中建模并劃分網(wǎng)格，采用C3D8單元，劃分網(wǎng)格后導(dǎo)入MSC.Marc中。幾何模型及其網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 補(bǔ)板修復(fù)結(jié)構(gòu)幾何模型及其網(wǎng)格劃分

2.2 材料參數(shù)及邊界條件

管道、焊縫、補(bǔ)板材料都是316不銹鋼，材料簡化為理想彈塑性材料，材料參數(shù)見文獻(xiàn)[8]，管道內(nèi)壓2.1MPa，補(bǔ)板被夾具固定。焊接速度2mm/s，熱源采用標(biāo)準(zhǔn)的 Goldak 雙橢球熱源模型[9]，焊接電壓110V，電流28A，有效功率系數(shù)為0.7，焊接路徑為A→B→C→D→A。輸送介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、初始溫度為20℃，焊后冷卻到常溫?？紤]到輻射和管內(nèi)輸送介質(zhì)流速對(duì)對(duì)流換熱的影響，采用修正后的換熱系數(shù)[10～12]：

α=0.8×5.67×10-8×[(273.15+T0)+(273.15+T)]×[(273.15+T0)2+(273.15+T)2]+

(5)

3 結(jié)果分析

圖2為焊接前(初始狀態(tài))和焊接冷卻后Von Mises等效應(yīng)力分布圖。初始狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為14.7MPa，最大應(yīng)力區(qū)分布在管道內(nèi)壁。焊接冷卻后，最大應(yīng)力約為280MPa，最大應(yīng)力區(qū)分布在焊縫及焊縫周圍?？梢姽艿佬迯?fù)后的殘余應(yīng)力主要由焊接熱循環(huán)引起，內(nèi)壓對(duì)應(yīng)力分布影響很小。

圖2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖3為點(diǎn)A、B、C、D的Von Mises應(yīng)力變化曲線。4個(gè)點(diǎn)受熱源影響的先后次序不同，各點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線也不同，但各點(diǎn)在接近熱源到熱源遠(yuǎn)離的時(shí)間段中，Von Mises等效應(yīng)力變化趨勢(shì)是大致相同的。以B點(diǎn)為例，說明焊縫上各點(diǎn)Von Mises等效應(yīng)力的變化規(guī)律。

圖3 點(diǎn)A、B、C、D的Von Mises應(yīng)力變化曲線

熱源在離B點(diǎn)較遠(yuǎn)處時(shí)，由于熱源處膨脹，B點(diǎn)受到擠壓，材料抵抗擠壓變形產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。隨著熱源向B點(diǎn)靠近，B點(diǎn)受到的擠壓逐漸增大，拉伸應(yīng)力也逐漸增大，之后會(huì)有較小的減小，是因?yàn)锽點(diǎn)溫度開始緩慢升高，膨脹抵消了一定量的擠壓。熱源離B點(diǎn)越近，B點(diǎn)受到的擠壓越大，而在熱源即將到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，B點(diǎn)溫度急速升高，從擠壓狀態(tài)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)，拉伸應(yīng)力也迅速變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。當(dāng)B點(diǎn)在熔池內(nèi)時(shí)，由于是力學(xué)熔點(diǎn)狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)力為零。B點(diǎn)在熔池外后，隨著熱源遠(yuǎn)離，溫度降低，B點(diǎn)開始收縮，B點(diǎn)處產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。A點(diǎn)與其他3點(diǎn)略有不同，是因?yàn)槠鸹『驛點(diǎn)處產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力。

如圖4所示，取3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)補(bǔ)板外壁點(diǎn)E、焊縫處點(diǎn)B、管道內(nèi)壁點(diǎn)F，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖5所示，焊縫處點(diǎn)B最高溫度為1 850℃，鋼材(熔點(diǎn)1 300℃左右)已融化，管道內(nèi)壁最高溫度不高于750℃，焊接過程中不會(huì)有燒穿的現(xiàn)象。

圖6為管道內(nèi)壁點(diǎn)F的Von Mises等效應(yīng)力-溫度關(guān)系圖，與材料的溫度-屈服應(yīng)力相比較可以看出管道內(nèi)壁Von Mises等效應(yīng)力一直未達(dá)到屈服極限，因此管道內(nèi)壁在整個(gè)過程中不會(huì)屈服。

圖4 管道剖面圖

圖5 點(diǎn)E、B、F熱循環(huán)曲線

圖6 點(diǎn)F的Von Mises等效應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線

4 結(jié)論

4.1通過ABAQUS、MSC.Marc有限元分析軟件，獲得了輸油管道補(bǔ)板焊接修復(fù)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和隨時(shí)間變化的規(guī)律。可以通過各時(shí)刻管壁上的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)評(píng)定整個(gè)焊接過程的可行性。

4.2將結(jié)構(gòu)焊接前后應(yīng)力分布云圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)焊接熱循環(huán)對(duì)殘余應(yīng)力的影響占主導(dǎo)因素，管道內(nèi)壓對(duì)殘余應(yīng)力的影響很小。

4.3結(jié)構(gòu)焊接冷卻后，補(bǔ)板及補(bǔ)板周圍的殘余應(yīng)力最大，是整個(gè)結(jié)構(gòu)最薄弱的部分。管道內(nèi)壁上的殘余應(yīng)力很小，對(duì)管道強(qiáng)度幾乎沒有影響。

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FiniteElementAnalysisofPlate’sWeldingRepairStructureinOilPipeline

WANG You-yi, WEI Lix-in, WU Di, WANG Pei-di, WANG Zi-jian

(SchoolofPetroleumEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Patch repairing method can be seen frequently in oil pipeline welding and the residual stress is inevitable in this process and it can incur pipeline failure at the area where high stress exists. Basing on the finite element method, sequential coupling method and adopting material parameters which changing with temperatures as well as taking the patch repairing of a perforation pipe as an example, both stress field and temperature field’s distribution in the plate’s welding repair process and their variation with the time were analyzed to show that, the maximal residual stress locates in and near the patched plate; and the heat recycle in the welding can incur it and the pressure inside the pipeline influences the residual stress little.

oil pipeline, patch repairing, weld, finite element, residual stress

*王友義，男，1992年9月生，碩士研究生。黑龍江省大慶市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)04-0522-04

2016-01-20，

2016-01-25)