一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法，包括：建立里海试验的板材有限元模型；建立管道对接接头的管道有限元模型；将第一函数关系中的第一拘束度设定等于第二函数关系中的第二拘束度，得出具有相同拘束度的里海试验中板材的开槽长度X与钢管的管径D及壁厚t的对应的第三函数关系；根据板材有限元模型进行里海试验的有限元模拟过程。该试验方法能通过试验模拟比较准确的确定焊接工艺参数中的预热温度，通过预测模型对管道环焊接接头冷裂敏感性进行预测。
【专利说明】一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及管道焊缝【技术领域】，特别涉及一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法。
【背景技术】
[0002] 管道焊接中，冷裂纹是最为常见的缺陷。避免焊接冷裂纹最为简单有效的方法就 是对焊管进行预热，预热温度并非越高越好，问题的关键是预热温度范围与最低预热温度 的确定。预热温度一般根据抗裂试验方法确定的。目前工程常用的冷裂试验方法包括：插 销试验方法和斜Y坡口对接裂纹试验方法。但是在实际工程设计与制定焊接工艺中，从安 全保险的角度确定的预热温度通常偏高，预热温度过高会造成焊缝的过热催化，从而导致 事故的发生。研宄适合于管道环焊接冷裂试验方法，对于焊接工艺规范的制定尤其重要，现 有技术中还没有能准确确定焊接工艺参数中的预热温度的方法。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种能通过试验模拟比较准确的确定焊接工 艺参数中的预热温度的管道环焊缝冷裂敏感性试验方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法，包 括：
[0005] 建立里海试验的板材有限元模型；通过所述板材有限元模型的计算得出板材中部 的不同开槽长度值X对应的第一拘束度；通过不同的所述开槽长度X对应的所述第一拘束 度的值进行拟合并绘制拟合曲线；通过所述拟合曲线得出所述开槽长度X与对应的所述第 一拘束度之间的第一函数关系；
[0006] 建立管道对接接头的管道有限元模型；通过所述管道有限元模型的计算得出不同 管径D及不同壁厚t的钢管的第二拘束度的值；通过不同的所述管径D及不同的所述壁厚 t的钢管对应的所述第二拘束度的值进行拟合并绘制出拟合曲面；通过所述拟合曲面得出 所述管径D及壁厚t与对应的所述第二拘束度之间的第二函数关系；
[0007] 将所述第一函数关系中的第一拘束度设定等于所述第二函数关系中的第二拘束 度，得出具有相同拘束度的里海试验中板材的所述开槽长度X与钢管的所述管径D及壁厚 t的对应的第三函数关系；
[0008] 根据所述里海试验中的板材的裂纹率在相同的焊接条件下与具有相同拘束度的 所述钢管的裂纹率相同；通过所述第三函数关系能将所述管径为D及壁厚为t的钢管的裂 纹率通过对应的所述开槽长度为X的里海试验反应出来；
[0009] 根据所述板材有限元模型进行里海试验的有限元模拟过程；所述模拟过程包括： 对所述开槽长度为X的板材试样的板材有限元模型划分网格、赋予材料属性、确定边界条 件、加载焊接热源进行焊接及焊接完成后空冷至室温；所述边界条件包括：预热温度；通过 所述里海试验的有限元模拟能得出所述开槽长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂 纹率；
[0010] 其中，通过所述第三函数关系将所述开槽长度为X的板材试样转换为对应的所述 管径为D及壁厚为t的钢管；所述开槽长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率即 为所述管径为D及壁厚为t的钢管的表面裂纹率及断面裂纹率；通过设定不同的所述开槽 长度X能完成对不同的所述管径D及壁厚t的钢管进行裂纹率的预测，即能比较准确的预 测焊接工艺参数中的预热温度。
[0011] 作为优选，所述板材有限元模型的所述板材试样的两侧和两端开有贯穿板厚的槽 线；所述板材试样中间槽的坡口到所述槽线末端的距离能改变；
[0012] 所述板材有限元模型的计算包括：对所述板材有限元模型进行网格划分、确定边 界条件、施加载荷及进行有限元计算。
[0013] 作为优选，所述里海试验的有限元模拟过程还包括：所述焊接完成后，在焊缝两边 加载力使其产生横向位移；
[0014] 多个所述力的作用点加载在焊缝两边，所述作用点在所述焊缝两边均匀分布。
[0015] 作为优选，所述边界条件还包括：温度、湿度、电流、电压、焊接时间及焊接速度。
[0016] 本发明提供的一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法通过采用有限元建立模型，计 算不同管径、壁厚的钢管焊缝的拘束度，计算出里海试验中板材试样的开槽长度与钢管的 管径、壁厚之间的函数关系，进行曲线拟合。然后通过对里海试验的有限元模拟计算出开槽 长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率，根据里海试验中的板材的裂纹率在相同 的焊接条件下与具有相同拘束度的钢管的裂纹率相同的规律，进而得出与开槽长度X的板 材试样对应的管径为D及壁厚为t的钢管的裂纹率；通过设定不同的开槽长度X能完成对 不同的管径D及壁厚t的钢管进行裂纹率（即环焊缝冷裂敏感性）的预测，这样通过里海 试验的有限元模拟计算能比较准确的预测焊接工艺参数中的预热温度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例提供的里海试验的板材试样形状和尺寸的结构示意图。
[0018] 图2是本发明实施例提供的不同开槽长度X与第一拘束度Rl的拟合曲线图。
[0019] 图3是本发明实施例提供的钢管不同管径D、壁厚t对应的第二拘束度R2的拟合 曲面图。
【具体实施方式】
[0020] 本发明提供了一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法，包括：
[0021] 参见附图1，步骤Sl :建立里海试验的板材有限元模型；通过板材有限元模型的计 算得出板材中部的不同开槽长度值X对应的第一拘束度；通过不同的开槽长度X对应的第 一拘束度的值进行拟合并绘制拟合曲线；参见附图2,通过拟合曲线得出开槽长度X与对应 的第一拘束度之间的第一函数关系。
[0022] 步骤S2 :建立管道对接接头的管道有限元模型；通过管道有限元模型的计算得出 不同管径D及不同壁厚t的钢管的第二拘束度的值；通过不同的管径D及不同的壁厚t的 钢管对应的第二拘束度的值进行拟合并绘制出拟合曲面；参见附图3,通过拟合曲面得出 管径D及壁厚t与对应的第二拘束度之间的第二函数关系。
[0023] 步骤S3 :将第一函数关系中的第一拘束度设定等于第二函数关系中的第二拘束 度，得出具有相同拘束度的里海试验中板材的开槽长度X与钢管的管径D及壁厚t的对应 的第三函数关系。
[0024] 根据里海试验中的板材的裂纹率在相同的焊接条件下与具有相同拘束度的钢管 的裂纹率相同；通过第三函数关系能将管径为D及壁厚为t的钢管的裂纹率通过对应的开 槽长度为X的里海试验反应出来；裂纹率包括：表面裂纹率及断面裂纹率。
[0025] 步骤S4 :根据板材有限元模型进行里海试验的有限元模拟过程；模拟过程包括： 对开槽长度为X的板材试样的板材有限元模型划分网格、赋予材料属性、确定边界条件、加 载焊接热源进行焊接及焊接完成后空冷至室温。边界条件包括：预热温度；通过里海试验 的有限元模拟能得出开槽长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率。
[0026] 其中，通过第三函数关系将开槽长度为X的板材试样转换为对应的管径为D及壁 厚为t的钢管；开槽长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率即为管径为D及壁厚 为t的钢管的表面裂纹率及断面裂纹率；通过设定不同的开槽长度X能完成对不同的管径 D及壁厚t的钢管进行裂纹率的预测，即能比较准确的预测焊接工艺参数中的预热温度。
[0027] 作为优选，步骤Sl中板材有限元模型的板材试样的两侧和两端开有贯穿板厚的 槽线；这样使得板材试样的拘束度降低。板材试样中间槽的坡口到槽线末端的距离能改变， 从而调节拘束度大小；当这个距离等于某值而恰好引起裂纹时，此值就称为临界拘束度，所 以里海试验能定量的表征引起裂纹的临界拘束度量值。板材有限元模型的计算包括：对板 材有限元模型进行网格划分、确定边界条件、施加载荷及进行有限元计算。
[0028] 作为优选，步骤S4中的里海试验的有限元模拟过程还包括：焊接完成后，在焊缝 两边加载力使其产生横向位移；多个力的作用点加载在焊缝两边，作用点在焊缝两边均匀 分布。
[0029] 下面通过具体实施例对本发明进行详细说明：
[0030] 步骤Sl :建立里海试验的板材有限元模型；对板材有限元模型进行网格划分、确 定边界条件、施加载荷及进行有限元计算，得出：
[0031] 板材中部的开槽长度值X = 25mm的第一拘束度值Rl = 2563MPa，同时能得到焊缝 的位移量为216. 70 X KT3mm ;依次改变开槽长度值X并求出对应的第一拘束度值Rl。
[0032] 即开槽长度值X = 33mm求出的第一拘束度值Rl = 3832MPa，焊缝的位移量为 144. 97X10_3mm。
[0033] 开槽长度值X = 50mm求出的第一拘束度值Rl = 6590MPa，焊缝的位移量为 84. 30 X 10 3Hinin
[0034] 开槽长度值X = 55mm求出的第一拘束度值Rl = 7183MPa，焊缝的位移量为 77. 34Xl(T3mm。
[0035] 开槽长度值X = 60mm求出的第一拘束度值Rl = 8487MPa，焊缝的位移量为 65. 46 X 10 3Hinin
[0036] 开槽长度值X = 64mm求出的第一拘束度值Rl = 9571MPa，焊缝的位移量为 58. 04 X 10 3Hinin
[0037] 开槽长度值X = 70mm求出的第一拘束度值Rl = 13701MPa，焊缝的位移量为 40. 55 X 10 3Hinin
[0038] 开槽长度值X = 73mm求出的第一拘束度值Rl = 14430MPa，焊缝的位移量为 38. 50 X 10 3Hinin
[0039] 开槽长度值X = 75mm求出的第一拘束度值Rl = 16100MPa，焊缝的位移量为 34. 51 X 10 3Hinin
[0040] 开槽长度值X = 84mm求出的第一拘束度值Rl = 16966MPa，焊缝的位移量为 32. 75 X 10 3Hinin
[0041] 开槽长度值X = 92mm求出的第一拘束度值Rl = 17603MPa，焊缝的位移量为 31. 56 X 10 3Hinin
[0042] 开槽长度值X = IOOmm求出的第一拘束度值Rl = 18269MPa，焊缝的位移量为 30. 41 X 10 3Hinin
[0043] 通过开槽长度X对应的第一拘束度Rl的值进行拟合并绘制拟合曲线；通过拟合曲 线得出开槽长度X与对应的第一拘束度之间的第一函数关系：
[0044]
【权利要求】
1. 一种管道环焊缝冷裂敏感性试验方法，其特征在于，包括： 建立里海试验的板材有限元模型；通过所述板材有限元模型的计算得出板材中部的不 同开槽长度值X对应的第一拘束度；通过不同的所述开槽长度X对应的所述第一拘束度的 值进行拟合并绘制拟合曲线；通过所述拟合曲线得出所述开槽长度X与对应的所述第一拘 束度之间的第一函数关系； 建立管道对接接头的管道有限元模型；通过所述管道有限元模型的计算得出不同管径 D及不同壁厚t的钢管的第二拘束度的值；通过不同的所述管径D及不同的所述壁厚t的 钢管对应的所述第二拘束度的值进行拟合并绘制出拟合曲面；通过所述拟合曲面得出所述 管径D及壁厚t与对应的所述第二拘束度之间的第二函数关系； 将所述第一函数关系中的第一拘束度设定等于所述第二函数关系中的第二拘束度，得 出具有相同拘束度的里海试验中板材的所述开槽长度X与钢管的所述管径D及壁厚t的对 应的第三函数关系； 根据所述里海试验中的板材的裂纹率在相同的焊接条件下与具有相同拘束度的所述 钢管的裂纹率相同；通过所述第三函数关系能将所述管径为D及壁厚为t的钢管的裂纹率 通过对应的所述开槽长度为X的里海试验反应出来；根据所述板材有限元模型进行里海试 验的有限元模拟过程；所述模拟过程包括：对所述开槽长度为X的板材试样的板材有限元 模型划分网格、赋予材料属性、确定边界条件、加载焊接热源进行焊接及焊接完成后空冷至 室温；所述边界条件包括：预热温度；通过所述里海试验的有限元模拟能得出所述开槽长 度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率； 其中，通过所述第三函数关系将所述开槽长度为X的板材试样转换为对应的所述管径 为D及壁厚为t的钢管；所述开槽长度为X的板材试样的表面裂纹率及断面裂纹率即为所 述管径为D及壁厚为t的钢管的表面裂纹率及断面裂纹率；通过设定不同的所述开槽长度 X能完成对不同的所述管径D及壁厚t的钢管进行裂纹率的预测，即能比较准确的预测焊接 工艺参数中的预热温度。
2. 根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于： 所述板材有限元模型的所述板材试样的两侧和两端开有贯穿板厚的槽线；所述板材试 样中间槽的坡口到所述槽线末端的距离能改变； 所述板材有限元模型的计算包括：对所述板材有限元模型进行网格划分、确定边界条 件、施加载荷及进行有限元计算。
3. 根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于： 所述里海试验的有限元模拟过程还包括：所述焊接完成后，在焊缝两边加载力使其产 生横向位移； 多个所述力的作用点加载在焊缝两边，所述作用点在所述焊缝两边均匀分布。
4. 根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于： 所述边界条件还包括：温度、湿度、电流、电压、焊接时间及焊接速度。
【文档编号】G06F17/50GK104517002SQ201410442983
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】郭晓疆, 冯斌, 邸新杰, 姚学全, 肖健, 刘翠英, 韩博洋, 李烨铮 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油天然气管道局