一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法
2023-09-16 05:58:10
一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法，包括：建立裏海試驗的板材有限元模型；建立管道對接接頭的管道有限元模型；將第一函數關係中的第一拘束度設定等於第二函數關係中的第二拘束度，得出具有相同拘束度的裏海試驗中板材的開槽長度X與鋼管的管徑D及壁厚t的對應的第三函數關係；根據板材有限元模型進行裏海試驗的有限元模擬過程。該試驗方法能通過試驗模擬比較準確的確定焊接工藝參數中的預熱溫度，通過預測模型對管道環焊接接頭冷裂敏感性進行預測。
【專利說明】一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及管道焊縫【技術領域】，特別涉及一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法。
【背景技術】
[0002] 管道焊接中，冷裂紋是最為常見的缺陷。避免焊接冷裂紋最為簡單有效的方法就 是對焊管進行預熱，預熱溫度並非越高越好，問題的關鍵是預熱溫度範圍與最低預熱溫度 的確定。預熱溫度一般根據抗裂試驗方法確定的。目前工程常用的冷裂試驗方法包括：插 銷試驗方法和斜Y坡口對接裂紋試驗方法。但是在實際工程設計與制定焊接工藝中，從安 全保險的角度確定的預熱溫度通常偏高，預熱溫度過高會造成焊縫的過熱催化，從而導致 事故的發生。研宄適合於管道環焊接冷裂試驗方法，對於焊接工藝規範的制定尤其重要，現 有技術中還沒有能準確確定焊接工藝參數中的預熱溫度的方法。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是提供一種能通過試驗模擬比較準確的確定焊接工 藝參數中的預熱溫度的管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明提供了一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法，包 括：
[0005] 建立裏海試驗的板材有限元模型；通過所述板材有限元模型的計算得出板材中部 的不同開槽長度值X對應的第一拘束度；通過不同的所述開槽長度X對應的所述第一拘束 度的值進行擬合併繪製擬合曲線；通過所述擬合曲線得出所述開槽長度X與對應的所述第 一拘束度之間的第一函數關係；
[0006] 建立管道對接接頭的管道有限元模型；通過所述管道有限元模型的計算得出不同 管徑D及不同壁厚t的鋼管的第二拘束度的值；通過不同的所述管徑D及不同的所述壁厚 t的鋼管對應的所述第二拘束度的值進行擬合併繪製出擬合曲面；通過所述擬合曲面得出 所述管徑D及壁厚t與對應的所述第二拘束度之間的第二函數關係；
[0007] 將所述第一函數關係中的第一拘束度設定等於所述第二函數關係中的第二拘束 度，得出具有相同拘束度的裏海試驗中板材的所述開槽長度X與鋼管的所述管徑D及壁厚 t的對應的第三函數關係；
[0008] 根據所述裏海試驗中的板材的裂紋率在相同的焊接條件下與具有相同拘束度的 所述鋼管的裂紋率相同；通過所述第三函數關係能將所述管徑為D及壁厚為t的鋼管的裂 紋率通過對應的所述開槽長度為X的裏海試驗反應出來；
[0009] 根據所述板材有限元模型進行裏海試驗的有限元模擬過程；所述模擬過程包括： 對所述開槽長度為X的板材試樣的板材有限元模型劃分網格、賦予材料屬性、確定邊界條 件、加載焊接熱源進行焊接及焊接完成後空冷至室溫；所述邊界條件包括：預熱溫度；通過 所述裏海試驗的有限元模擬能得出所述開槽長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂 紋率；
[0010] 其中，通過所述第三函數關係將所述開槽長度為X的板材試樣轉換為對應的所述 管徑為D及壁厚為t的鋼管；所述開槽長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率即 為所述管徑為D及壁厚為t的鋼管的表面裂紋率及斷面裂紋率；通過設定不同的所述開槽 長度X能完成對不同的所述管徑D及壁厚t的鋼管進行裂紋率的預測，即能比較準確的預 測焊接工藝參數中的預熱溫度。
[0011] 作為優選，所述板材有限元模型的所述板材試樣的兩側和兩端開有貫穿板厚的槽 線；所述板材試樣中間槽的坡口到所述槽線末端的距離能改變；
[0012] 所述板材有限元模型的計算包括：對所述板材有限元模型進行網格劃分、確定邊 界條件、施加載荷及進行有限元計算。
[0013] 作為優選，所述裏海試驗的有限元模擬過程還包括：所述焊接完成後，在焊縫兩邊 加載力使其產生橫向位移；
[0014] 多個所述力的作用點加載在焊縫兩邊，所述作用點在所述焊縫兩邊均勻分布。
[0015] 作為優選，所述邊界條件還包括：溫度、溼度、電流、電壓、焊接時間及焊接速度。
[0016] 本發明提供的一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法通過採用有限元建立模型，計 算不同管徑、壁厚的鋼管焊縫的拘束度，計算出裏海試驗中板材試樣的開槽長度與鋼管的 管徑、壁厚之間的函數關係，進行曲線擬合。然後通過對裏海試驗的有限元模擬計算出開槽 長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率，根據裏海試驗中的板材的裂紋率在相同 的焊接條件下與具有相同拘束度的鋼管的裂紋率相同的規律，進而得出與開槽長度X的板 材試樣對應的管徑為D及壁厚為t的鋼管的裂紋率；通過設定不同的開槽長度X能完成對 不同的管徑D及壁厚t的鋼管進行裂紋率（即環焊縫冷裂敏感性）的預測，這樣通過裏海 試驗的有限元模擬計算能比較準確的預測焊接工藝參數中的預熱溫度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明實施例提供的裏海試驗的板材試樣形狀和尺寸的結構示意圖。
[0018] 圖2是本發明實施例提供的不同開槽長度X與第一拘束度Rl的擬合曲線圖。
[0019] 圖3是本發明實施例提供的鋼管不同管徑D、壁厚t對應的第二拘束度R2的擬合 曲面圖。
【具體實施方式】
[0020] 本發明提供了一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法，包括：
[0021] 參見附圖1，步驟Sl :建立裏海試驗的板材有限元模型；通過板材有限元模型的計 算得出板材中部的不同開槽長度值X對應的第一拘束度；通過不同的開槽長度X對應的第 一拘束度的值進行擬合併繪製擬合曲線；參見附圖2,通過擬合曲線得出開槽長度X與對應 的第一拘束度之間的第一函數關係。
[0022] 步驟S2 :建立管道對接接頭的管道有限元模型；通過管道有限元模型的計算得出 不同管徑D及不同壁厚t的鋼管的第二拘束度的值；通過不同的管徑D及不同的壁厚t的 鋼管對應的第二拘束度的值進行擬合併繪製出擬合曲面；參見附圖3,通過擬合曲面得出 管徑D及壁厚t與對應的第二拘束度之間的第二函數關係。
[0023] 步驟S3 :將第一函數關係中的第一拘束度設定等於第二函數關係中的第二拘束 度，得出具有相同拘束度的裏海試驗中板材的開槽長度X與鋼管的管徑D及壁厚t的對應 的第三函數關係。
[0024] 根據裏海試驗中的板材的裂紋率在相同的焊接條件下與具有相同拘束度的鋼管 的裂紋率相同；通過第三函數關係能將管徑為D及壁厚為t的鋼管的裂紋率通過對應的開 槽長度為X的裏海試驗反應出來；裂紋率包括：表面裂紋率及斷面裂紋率。
[0025] 步驟S4 :根據板材有限元模型進行裏海試驗的有限元模擬過程；模擬過程包括： 對開槽長度為X的板材試樣的板材有限元模型劃分網格、賦予材料屬性、確定邊界條件、加 載焊接熱源進行焊接及焊接完成後空冷至室溫。邊界條件包括：預熱溫度；通過裏海試驗 的有限元模擬能得出開槽長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率。
[0026] 其中，通過第三函數關係將開槽長度為X的板材試樣轉換為對應的管徑為D及壁 厚為t的鋼管；開槽長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率即為管徑為D及壁厚 為t的鋼管的表面裂紋率及斷面裂紋率；通過設定不同的開槽長度X能完成對不同的管徑 D及壁厚t的鋼管進行裂紋率的預測，即能比較準確的預測焊接工藝參數中的預熱溫度。
[0027] 作為優選，步驟Sl中板材有限元模型的板材試樣的兩側和兩端開有貫穿板厚的 槽線；這樣使得板材試樣的拘束度降低。板材試樣中間槽的坡口到槽線末端的距離能改變， 從而調節拘束度大小；當這個距離等於某值而恰好引起裂紋時，此值就稱為臨界拘束度，所 以裏海試驗能定量的表徵引起裂紋的臨界拘束度量值。板材有限元模型的計算包括：對板 材有限元模型進行網格劃分、確定邊界條件、施加載荷及進行有限元計算。
[0028] 作為優選，步驟S4中的裏海試驗的有限元模擬過程還包括：焊接完成後，在焊縫 兩邊加載力使其產生橫向位移；多個力的作用點加載在焊縫兩邊，作用點在焊縫兩邊均勻 分布。
[0029] 下面通過具體實施例對本發明進行詳細說明：
[0030] 步驟Sl :建立裏海試驗的板材有限元模型；對板材有限元模型進行網格劃分、確 定邊界條件、施加載荷及進行有限元計算，得出：
[0031] 板材中部的開槽長度值X = 25mm的第一拘束度值Rl = 2563MPa，同時能得到焊縫 的位移量為216. 70 X KT3mm ;依次改變開槽長度值X並求出對應的第一拘束度值Rl。
[0032] 即開槽長度值X = 33mm求出的第一拘束度值Rl = 3832MPa，焊縫的位移量為 144. 97X10_3mm。
[0033] 開槽長度值X = 50mm求出的第一拘束度值Rl = 6590MPa，焊縫的位移量為 84. 30 X 10 3Hinin
[0034] 開槽長度值X = 55mm求出的第一拘束度值Rl = 7183MPa，焊縫的位移量為 77. 34Xl(T3mm。
[0035] 開槽長度值X = 60mm求出的第一拘束度值Rl = 8487MPa，焊縫的位移量為 65. 46 X 10 3Hinin
[0036] 開槽長度值X = 64mm求出的第一拘束度值Rl = 9571MPa，焊縫的位移量為 58. 04 X 10 3Hinin
[0037] 開槽長度值X = 70mm求出的第一拘束度值Rl = 13701MPa，焊縫的位移量為 40. 55 X 10 3Hinin
[0038] 開槽長度值X = 73mm求出的第一拘束度值Rl = 14430MPa，焊縫的位移量為 38. 50 X 10 3Hinin
[0039] 開槽長度值X = 75mm求出的第一拘束度值Rl = 16100MPa，焊縫的位移量為 34. 51 X 10 3Hinin
[0040] 開槽長度值X = 84mm求出的第一拘束度值Rl = 16966MPa，焊縫的位移量為 32. 75 X 10 3Hinin
[0041] 開槽長度值X = 92mm求出的第一拘束度值Rl = 17603MPa，焊縫的位移量為 31. 56 X 10 3Hinin
[0042] 開槽長度值X = IOOmm求出的第一拘束度值Rl = 18269MPa，焊縫的位移量為 30. 41 X 10 3Hinin
[0043] 通過開槽長度X對應的第一拘束度Rl的值進行擬合併繪製擬合曲線；通過擬合曲 線得出開槽長度X與對應的第一拘束度之間的第一函數關係：
[0044]
【權利要求】
1. 一種管道環焊縫冷裂敏感性試驗方法，其特徵在於，包括： 建立裏海試驗的板材有限元模型；通過所述板材有限元模型的計算得出板材中部的不 同開槽長度值X對應的第一拘束度；通過不同的所述開槽長度X對應的所述第一拘束度的 值進行擬合併繪製擬合曲線；通過所述擬合曲線得出所述開槽長度X與對應的所述第一拘 束度之間的第一函數關係； 建立管道對接接頭的管道有限元模型；通過所述管道有限元模型的計算得出不同管徑 D及不同壁厚t的鋼管的第二拘束度的值；通過不同的所述管徑D及不同的所述壁厚t的 鋼管對應的所述第二拘束度的值進行擬合併繪製出擬合曲面；通過所述擬合曲面得出所述 管徑D及壁厚t與對應的所述第二拘束度之間的第二函數關係； 將所述第一函數關係中的第一拘束度設定等於所述第二函數關係中的第二拘束度，得 出具有相同拘束度的裏海試驗中板材的所述開槽長度X與鋼管的所述管徑D及壁厚t的對 應的第三函數關係； 根據所述裏海試驗中的板材的裂紋率在相同的焊接條件下與具有相同拘束度的所述 鋼管的裂紋率相同；通過所述第三函數關係能將所述管徑為D及壁厚為t的鋼管的裂紋率 通過對應的所述開槽長度為X的裏海試驗反應出來；根據所述板材有限元模型進行裏海試 驗的有限元模擬過程；所述模擬過程包括：對所述開槽長度為X的板材試樣的板材有限元 模型劃分網格、賦予材料屬性、確定邊界條件、加載焊接熱源進行焊接及焊接完成後空冷至 室溫；所述邊界條件包括：預熱溫度；通過所述裏海試驗的有限元模擬能得出所述開槽長 度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率； 其中，通過所述第三函數關係將所述開槽長度為X的板材試樣轉換為對應的所述管徑 為D及壁厚為t的鋼管；所述開槽長度為X的板材試樣的表面裂紋率及斷面裂紋率即為所 述管徑為D及壁厚為t的鋼管的表面裂紋率及斷面裂紋率；通過設定不同的所述開槽長度 X能完成對不同的所述管徑D及壁厚t的鋼管進行裂紋率的預測，即能比較準確的預測焊接 工藝參數中的預熱溫度。
2. 根據權利要求1所述的試驗方法，其特徵在於： 所述板材有限元模型的所述板材試樣的兩側和兩端開有貫穿板厚的槽線；所述板材試 樣中間槽的坡口到所述槽線末端的距離能改變； 所述板材有限元模型的計算包括：對所述板材有限元模型進行網格劃分、確定邊界條 件、施加載荷及進行有限元計算。
3. 根據權利要求1所述的試驗方法，其特徵在於： 所述裏海試驗的有限元模擬過程還包括：所述焊接完成後，在焊縫兩邊加載力使其產 生橫向位移； 多個所述力的作用點加載在焊縫兩邊，所述作用點在所述焊縫兩邊均勻分布。
4. 根據權利要求1所述的試驗方法，其特徵在於： 所述邊界條件還包括：溫度、溼度、電流、電壓、焊接時間及焊接速度。
【文檔編號】G06F17/50GK104517002SQ201410442983
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】郭曉疆, 馮斌, 邸新傑, 姚學全, 肖健, 劉翠英, 韓博洋, 李燁錚 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局