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)

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)

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。

输油管道 补板修复 焊接 有限元 残余应力

输油管道服役过程中，由于腐蚀或第三方破坏经常会出现穿孔或壁厚减薄导致泄漏的情况。焊接修复技术例如套管、接管及补板等是常用的修复方法[1]。补板修复技术是指直接在缺陷外焊上一块加强板，焊接时，通过夹具使加强板固定在管道上，待焊料与管道外壁融合、冷却固定后，将夹具移去。相比于其他修复技术，补板修复技术更加方便快捷。

管道在受损修复后，几何形状与管道修建时已有很大不同，焊接过程中不可避免的会产生残余应力，应力分布发生巨大变化，在应力水平较大处易导致管道失效。因此需要研究管道焊接过程中和焊接后的温度场、应力场分布及其变化规律，为管道焊接修复结构安全评价提供基础。李国成和王保兴应用有限元分析软件ABAQUS，对工业管道多道焊进行温度场和残余应力场的数值模拟，分析了冷却时间对残余应力的影响[2]。罗云等采用有限元法，编写了移动热源子程序，与套管内压进行耦合计算，得到了套管温度场和应力场分布规律[3]。帅健对补板修复结构进行了模拟[4]，并完成了管道焊接修复结构的全尺寸爆破试验[5]，分析了应力集中、屈服载荷等，验证了修复结构的承压能力。

焊接问题是一个包含热力耦合、热冶金耦合的复杂过程。而目前尚未有输油管道补板焊接修复过程中各时刻温度场下管道应力分析的报道。对此，笔者基于有限元法，采用顺序耦合的方法和随温度变化的材料参数，以管道穿孔后补板焊接修复为例，运用有限元分析软件MSC.Marc分析该过程的温度、应力分布情况和随时间变化规律。

1 数学模型

1.1 传热分析

构造试探函数，代入热传导方程、初始条件、边界条件中，得到残差，通过加权余量法，经整理得到矩阵方程：

(1)

其中，K是热传导矩阵，T是节点温度列向量，C是热容矩阵，P是温度载荷列向量。求解T即可得到温度场。

1.2 应力分析

在弹性范围内存在：

Δσ=τDe(Δε-Δε0),t≤τ≤t+Δt

(2)

将增量形式的虚位移原理表示成矩阵形式[7]，并代入(2)式得：

(3)

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：

τKΔa=ΔR+t+ΔtQl-tQi

(4)

2 有限元模型

2.1 几何模型及网格划分

管道内径100mm，壁厚10mm，穿孔直径10mm，补板厚10mm、轴向长60mm、环向宽60°，在ABAQUS软件中建模并划分网格，采用C3D8单元，划分网格后导入MSC.Marc中。几何模型及其网格划分如图1所示。

图1 补板修复结构几何模型及其网格划分

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，材料简化为理想弹塑性材料，材料参数见文献[8]，管道内压2.1MPa，补板被夹具固定。焊接速度2mm/s，热源采用标准的 Goldak 双椭球热源模型[9]，焊接电压110V，电流28A，有效功率系数为0.7，焊接路径为A→B→C→D→A。输送介质温度、环境温度、初始温度为20℃，焊后冷却到常温。考虑到辐射和管内输送介质流速对对流换热的影响，采用修正后的换热系数[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 结果分析

图2为焊接前(初始状态)和焊接冷却后Von Mises等效应力分布图。初始状态下结构的最大应力为14.7MPa，最大应力区分布在管道内壁。焊接冷却后，最大应力约为280MPa，最大应力区分布在焊缝及焊缝周围。可见管道修复后的残余应力主要由焊接热循环引起，内压对应力分布影响很小。

图2 结构应力分布云图

图3为点A、B、C、D的Von Mises应力变化曲线。4个点受热源影响的先后次序不同，各点Von Mises等效应力随时间变化的曲线也不同，但各点在接近热源到热源远离的时间段中，Von Mises等效应力变化趋势是大致相同的。以B点为例，说明焊缝上各点Von Mises等效应力的变化规律。

图3 点A、B、C、D的Von Mises应力变化曲线

热源在离B点较远处时，由于热源处膨胀，B点受到挤压，材料抵抗挤压变形产生拉伸应力。随着热源向B点靠近，B点受到的挤压逐渐增大，拉伸应力也逐渐增大，之后会有较小的减小，是因为B点温度开始缓慢升高，膨胀抵消了一定量的挤压。热源离B点越近，B点受到的挤压越大，而在热源即将到达B点时，B点温度急速升高，从挤压状态变为膨胀状态，拉伸应力也迅速变为压缩应力。当B点在熔池内时，由于是力学熔点状态，此时应力为零。B点在熔池外后，随着热源远离，温度降低，B点开始收缩，B点处产生残余拉应力。A点与其他3点略有不同，是因为起弧后A点处产生了残余拉应力。

如图4所示，取3个关键点补板外壁点E、焊缝处点B、管道内壁点F，各点的热循环曲线如图5所示，焊缝处点B最高温度为1 850℃，钢材(熔点1 300℃左右)已融化，管道内壁最高温度不高于750℃，焊接过程中不会有烧穿的现象。

图6为管道内壁点F的Von Mises等效应力-温度关系图，与材料的温度-屈服应力相比较可以看出管道内壁Von Mises等效应力一直未达到屈服极限，因此管道内壁在整个过程中不会屈服。

图4 管道剖面图

图5 点E、B、F热循环曲线

图6 点F的Von Mises等效应力-温度关系曲线

4 结论

4.1通过ABAQUS、MSC.Marc有限元分析软件，获得了输油管道补板焊接修复结构的温度场、应力场和随时间变化的规律。可以通过各时刻管壁上的温度场、应力场评定整个焊接过程的可行性。

4.2将结构焊接前后应力分布云图进行比较，发现焊接热循环对残余应力的影响占主导因素，管道内压对残余应力的影响很小。

4.3结构焊接冷却后，补板及补板周围的残余应力最大，是整个结构最薄弱的部分。管道内壁上的残余应力很小，对管道强度几乎没有影响。

[1] 《管道完整性管理技术》编委会.管道完整性管理技术[M].北京：石油工业出版社，2011.

[2] 李国成，王保兴.多道焊焊间冷却时间对管道焊接残余应力的影响[J].化工机械，2010，37(3)：339～342，372.

[3] 罗云，蒋文春，王炳英.套管修复焊接残余应力三维有限元模拟[J].热加工工艺，2014，43(19)：186～189.

[4] 帅健.管线力学[M]．北京：科学出版社，2010．

[5] 帅健，王晓明，卜文平.长输管道焊接修复结构的全尺寸实验[J].实验室研究与探索，2007，26(10)：227～229，277．

[6] 张彦华.焊接力学与结构完整性原理[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010．

[7] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003．

[8] Hamed Masumi Asl，Ali Vatani.Numerical Analysis of the Burn-through at In-service Welding of 316 Stainless Steel Pipeline[J].International Journal of Pressure Vessels and Piping，2013，105/106：49～59．

[9] 杨建国.焊接结构有限元分析基础及MSC.Marc实现[M].北京：机械工业出版社，2012.

[10] 宋立新，王勇，韩涛，等.管道在役焊接接头残余应力的研究[J].焊管，2008，31(2)：31～34．

[11] 钱滨江，五贻文，常家芳，等.简明传热手册[ M].北京：高等教育出版社，1983.

[12] 陈玉华，王勇.基于SYS WELD的运行管道在役焊接热循环数值模拟[J].焊接学报，2007，28(1)：85～88，117．

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

*王友义，男，1992年9月生，硕士研究生。黑龙江省大庆市，163318。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)04-0522-04

2016-01-20，

2016-01-25)