基于应变的管道环焊缝表面裂纹有限元分析

现行的管道设计标准大多遵循传统的基于应力的设计准则,当管材出现屈服和应变强化时,准则便不再适用。为此,建立了内压作用下三维管道环焊缝缺陷仿真模型,采用基于应变的设计方法对其承载能力进行了分析,探讨了其影响参数的变化规律,计算了不同管径时管道的拉应变极限和失效压力。分析结果表明:材料韧性越好,裂纹尖端抗开裂性能越好,在管道设计施工中应合理选择焊材与管材的强度及韧性匹配;相比于管道尺寸,裂纹缺陷尺寸对管道承载能力的影响更大,尤其是缺陷深度。所得结论可为管道环焊缝缺陷完整性评估提供理论指导。     

基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价

现行管道设计标准大多遵循传统的基于应力的设计准则,当管材出现屈服和应变强化时,基于应力的设计准则便不再适用。为了有效开展基于应变的高钢级管道环焊缝适用性评价,需要解决驱动力的应变表征和失效准则确定两个关键问题。通过对含环焊缝根部裂纹的高钢级管道进行有限元分析,得到基于应变的裂纹扩展驱动力,研究了缺陷尺寸、强度匹配及压力等因素对环焊缝应变能力的影响;对比分析了两种管道环焊缝断裂失效准则并明确其适用性。分析结果表明：缺陷尺寸不仅影响裂纹扩展阻力,而且影响裂纹扩展的驱动力,裂纹深度较长度对基于应变裂纹驱动力的影响更为明显;高匹配焊接的环焊缝具备更强的应变能力,承载能力也相应增强;错边和变壁厚等根部不连续会削弱环焊缝的承载能力;基于裂纹失稳扩展失效准则评价的是极限应变能力,对环焊缝的断裂韧度要求很高,建议选择基于断裂韧度准则的评价方法。所得结论可为高钢级管道环焊缝应变能力评估提供技术参考。     

基于应变设计的高强钢管道环缝焊接技术

在复杂地形地貌、地震断裂带和海洋环境等情况下的管道敷设通常采用基于应变的设计方法,这对管道环焊缝的性能提出了特殊的要求。为了掌握基于应变设计条件下高强度管道的环缝焊接技术,设计了FeNi合金焊丝,制定了焊接工艺,进行了环缝焊接试验,并对焊缝金属的力学性能进行了检测。结果表明,所焊环焊缝的性能满足基于应变设计的X80高强钢管道环焊缝的强度与韧性要求,焊缝强韧匹配度较好,且具有大的缺陷容限和高的抗大应变能力。     

基于应变设计方法在管道工程建设中的应用研究

埋地管道通过高震区和活动断裂带时将受到较大变形,影响管道的安全性。通过对基于应变设计方法、X80钢管力学性能和焊接工艺的研究,建立了有内压和无内压断层位移作用下管道的应变计算模型。综合考虑材料变形能力、环焊缝变形能力、焊缝缺陷影响、低周疲劳性能、管道内压等诸多因素确定管道极限应变和容许应变,提出了管道基于应变设计流程及相关要求。对西气东输二线通过强震区和活动断层区段的埋地管道进行了应变计算及校核,确立了管道工程抗震设计方法,制定了有效降低管道应变的优化敷设方案。     

油气长输管道工程设计新方法述评

介绍了当前油气长输管道工程设计最新的三种方法：（1）基于缺陷评估的设计方法。该方法在设计阶段进行的缺陷评估主要有裂纹缺陷评估和腐蚀缺陷评估。（2）基于应变的设计方法。其关键是确定管道在地震和地质灾害中将要承受的应变及管道本身所能够承受的应变极限。（3）全寿命设计方法.这是为寻求全寿命周期内管道工程的人文、生态、环境、技术、功能和经济效益等综合最优。对结构、材料、耐久性、环保、施工、管护以及全寿命成本等进行综合设计的方法。文章阐述了这三种设计方法的设计思想、主要设计内容及设计步骤．评价了这三种设计方法各自的优势及适用范围．     

穿越河流管道环焊缝裂纹缺陷安全性研究

穿越河流管道容易发生裸露悬空，管道的环焊缝是薄弱环节，极易发生断裂失效。为了保障穿越河流天然气长输管道环焊缝安全性，以某穿越河流输气管道悬跨段为研究对象，分析悬跨段管道所受复杂应力情况，建立管道局部悬跨段及管土相互作用的简化力学模型；基于非线性有限元法，创新性地使用连接器建立管土非线性耦合单元，建立穿越河流含裂纹缺陷管道环焊缝模型，得到悬跨管道的应力、应变等分布情况和以J积分为表征的裂纹驱动力，并结合BS 7910-2019《金属结构中缺陷可接受性评估方法指南》验证其准确性；在此基础上，考虑管道屈服强度、焊缝匹配系数、内压及土壤承载力参数，采用单因素敏感性分析法，识别各参数条件对管道J积分的影响规律，得到影响管道环焊缝裂纹起裂的关键因素。研究结果可为复杂应力作用下穿越河流管道环焊缝安全运行提供参考。     

基于应力设计的管道环焊缝缺陷评估

为了更为准确地评估基于应力设计管道环焊缝的缺陷尺寸,利用C#语言开发了管线钢管环焊缝宽板拉伸试验预制预测评估系统,基于国际上通用的焊缝缺陷评定规范API 1104,采用水平一(图表法)和水平二(失效评定图法)分别在不同的输入参量下对X80管线钢管进行了安全评定。结果表明,水平一(图表法)的评估结果更为保守,会低估管道的安全裕度;水平二(失效评定图法)的评估结果具有更好的工程实用性。     

油气管道环焊缝缺陷适用性评价现状与展望

油气管道的环焊缝质量好坏与管道能否安全运行密切相关,近年来管道环焊缝问题日益突显,因此准确评价管道环焊缝缺陷的适用性对于保障管道安全运行具有重要的意义。为了给环焊缝缺陷安全评定提供参考,系统总结了现行的环焊缝缺陷适用性评价方法并归纳为6种类型,剖析了各类方法的原理、特点及适用性,从焊接缺陷、内外部载荷及材料性能等3个方面分析了目前环焊缝缺陷适用性评价过程中遇到的瓶颈问题,并针对高钢级管道环焊缝所暴露出的新问题,提出了环焊缝缺陷适用性评价的未来展望。研究结果表明:(1)环焊缝缺陷可分为体积型缺陷和平面型缺陷两大类;(2)对于体积型缺陷,主要考虑塑性失效模式,推荐采用修正的Miller方法 ;(3)对平面型缺陷,应同时考虑塑性失效和断裂失效模式,推荐采用BS 7910:2015标准中基于失效评估图(FAD)的方法,并根据可用材料参数及保守性选用通用失效评估曲线(FAC)或特定FAC。结论认为,该研究成果有助于保障管道的安全运行。     

燃气管道的应变能力分析

在基于应变的管道设计中,核心问题是确定管道的应变要求和应变能力。管道的应变要求通常可以通过解析法或数值方法解出,最常用的是有限元方法。管道的应变能力则主要通过实验法总结确定,体现在其压缩应变极限和拉伸应变极限上。研究表明管道的压缩应变极限主要与应变硬化指数n、径厚比D/t、内压pi、屈强比Y/T有关;管道的拉伸应变极限主要与环焊缝的拉伸应变极限有关。     

基于缺陷评估的海底管道设计研究

针对海底管道的裂纹和腐蚀两种主要缺陷,研究了基于缺陷评估的海底管道设计方法,建立了基于缺陷评估的海底管道设计步骤。     

管线环焊接头拉伸应变容量模型讨论

为应对石油天然气管线复杂的服役环境,基于应力的管线设计方法已难以满足需求,国际上逐步提出了基于应变的管线设计方法并应用于管线建设。介绍了国内外管线环焊接头拉伸应变容量的研究现状,并讨论比较了近20年国际上发展较快、应用较广的几个模型,对基于应变管线的设计及缺陷评估工作提供参考,同时对今后拉伸应变容量模型需要解决的问题进行展望。     

基于BS7910复合管海底管道对接焊缝ECA评估研究

依据英国标准BS7910对含缺陷复合管海底管道对接接头进行了工程临界评估（ECA）。根据管体与焊缝拉伸试验结果确定评定曲线;按照DNV—OS—F101标准对管道取样,进行焊缝和HAZ的CTOD试验,选取最低值作为评定断裂韧性值;在评定计算中分别考虑了静态应力、循环应力、残余应力和应力集中等影响,给出了在敷设条件下考虑疲劳和不考虑疲劳时表面裂纹的极限尺寸。评估结果较DNV—OS—F101规定尺寸宽松,可见复合管含缺陷焊接接头安全裕度很高,从而为海底管道敷设过程中的焊接缺陷评估和验收提供了经验和依据。     

管道焊缝数字图像缺陷自动识别技术

管道焊缝数字图像是管道焊缝可靠性管理的重要依据,但对其进行人工判别的误判率较高。为了提高对管道焊缝数字图像缺陷的识别准确度,采用多项边缘检测、检测通道与阈值分割等方法,对管道焊缝图像中存在的缺陷进行图像处理,构造了焊缝数字图像缺陷特征库,包含灰度差、等效面积、圆形度、熵、相关度等参数,建立了多分类器构造(SVM)模型,实现了对管道焊缝数字图像缺陷的分类评价,最终开发出管道焊缝数字图像缺陷自动识别软件,并进行了现场验证分析。研究结果表明:(1)图像处理后在没有噪声的情况下,Canny等算法都可以得到很好的边缘检测结果,在有噪声的情况下,检测结果出现伪边缘,选用自动选取阈值方法进行图像边缘检测,能够取得合理的阈值;(2)所建立的焊缝数字图像缺陷特征数据库包含形状特征和纹理特征、图像长度像素等14项参数;(3)通过所建立的SVM分类模型,可以分类获取缺陷形状特征,找出裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合和条形等缺陷特征。现场应用结果表明:(1)该缺陷自动识别技术适用于对各类管道焊缝缺陷质量的识别判定;(2)其识别准确率超过90%;(3)该技术实现了对管道焊缝数字图像缺陷的自动识别和自动化评价。结论认为,该研究成果有助于确保管道的安全运行。     

X70管线钢管环焊缝宽板拉伸试验

利用宽板拉伸试验方法,结合有限元模拟分析,对X70管线钢管环焊接头进行了缺陷评估试验。研究了含有尺寸为3.5 mm×50 mm裂纹缺陷的焊缝在拉伸试验过程中受力变形及裂纹张开变化行为,并结合金相组织分析,评估了带缺陷焊缝的安全性。结果表明,采用适当焊接工艺的X70高强匹配环焊缝,在含有3.5 mm×50 mm尺寸裂纹缺陷情况下,管道整体轴向应变可达3.2%,裂纹不发生失稳扩展,缺陷依然可靠。     

输送管环焊缝附近管体缺陷分析

对某管道对接环焊缝进行X射线检测时,发现环焊缝附近管体部位存在多个密集性圆孔缺陷。为了确定这些圆孔缺陷形成的原因,对缺陷钢管进行了宏观分析、X射线检测、金相分析、扫描电镜(SEM)及能谱分析,并对这些试验结果进行了综合分析。分析结果表明,钢管环焊缝附近管体密集型圆孔是焊接过程中焊接金属熔池附近管体材料在高温下熔化后重新结晶过程中产生的气孔缺陷。建议选择强度稍低的焊接材料,并严格控制现场作业,做好焊口预热准备工作,控制好工艺参数,防止焊接熔池体积增大、熔池过热度增加而对焊缝附近母材的性能造成不良影响。     

在役天然气管道缺陷安全评定及有限元分析

综述了断裂力学的发展及国内外含缺陷压力容器的评定方法。根据中国石油西南油气田公司输气管理处天然气管道的实际运营情况,基于“合于使用”的原则,选定GB/T 19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》作为判据对天然气管道缺陷进行安全评定,并分别采用COD法及ANSYS模拟分析对北内环支线某处缺陷进行安全评定,并对特殊地理位置下的管道进行了有限元分析。     

油气输送管道对接环焊缝缺陷检测分析

通过X射线检测、金相组织检测、扫描及能谱分析,对某油气输送管道对接环焊缝缺陷及形成原因进行了分析。结果表明,环焊接头中存在焊瘤、密集气孔、内凹（焊道未填满）、未熔合和夹渣缺陷,缺陷处易产生应力集中,成为裂纹源。建议在油气管道对接环焊缝焊接操作时,一要保证管口组对精度,以减小错边、侧壁未熔合的可能性,二要选择合适的焊接方法。