专利名称：一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法
技术领域：
本发明属于燃气管道工程中管道在役焊接行为的计算技术领域，涉及一种用有限元计算软件ANSYS评定在役管道焊接行为的工艺分析方法。
背景技术：
燃气管道在长期服役过程中，由于管材原因或外界因素的影响，会出现管壁减薄或腐蚀穿孔等问题，从而引起燃气泄露及管道破坏，为此必须对管道减薄或损坏部位进行加固和修复。运行管线的在役焊接修复技术以其方便快捷、环保经济和社会效益显著等优点成为当前在役管道修复的主要方式。焊接是一个局部快速加热、冷却和凝固的过程，是涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学机制的复杂过程。在役焊接过程中，由于管道内燃气介质的高压，同时介质流动会带走焊缝区大量热量，使得焊接区域容易发生烧穿或氢致开裂，因此合理制定在役焊接的工艺参数至关重要。采用数值技术对在役焊接的结构行为进行分析，研究各个工艺因素的影响趋势，正成为一种合理设计在役焊接工艺的有效手段。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法。其目的在于建立一种针对管道在役焊接实际工况的分析效率高、计算结果比较准确客观的评定在役焊接行为的结构分析方法为了解决上述技术问题，本发明一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法予以实现的技术方案是利用计算机中存储的有限元计算软件ANSYS，按照下述步骤进行步骤一确定管道在役焊接的焊接条件，至少包括焊接工艺、管道及套管的尺寸、管道及套管的材质，环境温度和散热条件；其中在确定焊接工艺中，根据英国管道公司制定的关于焊接接头焊道的布置要求进行焊道布置；步骤二 创建管道及套管的实体模型，定义S0LID70单元划分映射网格，并根据实际工况施加在役焊接温度场的求解约束及载荷，其中至少包括环境温度、移动焊接热源的热生成率、管道内部燃气介质的强制换热系数；然后求解，得出管道在役焊接的温度场；步骤三读取在役焊接温度场的结果文件，并根据管道内壁最高温度的具体数值初步判断管道是否有被烧穿的可能；步骤四创建管道及套管实体结构分析模型，定义MESH 200单元和SOLID 45单元，将上述温度场得到的节点温度作为载荷施加到结构分析模型上，定义边界约束条件，管道内部施加压强载荷，对管道和套管的端部施加轴向位移约束，然后求解；步骤五从而得到管道在役焊接的全部结构分析结果，继而根据管道材料的性能和管道内壁的最高温度及应力分布评估在役焊接行为的结构响应。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明采用有限元软件建模评定管道在役焊接行为的结构响应特性，用参数化设计语言APDL编写命令程序，可以根据实际工况的变化修改模型、载荷和求解参数，可大大减少焊接工艺试验工作量，提高分析效率，降低生产测试成本。
图I是本发明燃气管道在役焊接行为的结构分析方法流程图；图2是套管在役焊接修复结构示意图；图3是套管焊接的焊道示意图；图4是本发明实施例中第一道焊接时的温度场等值图；图5是本发明实施例中第一道焊接的焊缝剖面的温度场等值图；图6是本发明实施例焊后冷却到室温的位移等值图；图7是本发明实施例焊接稳定时的环向应力场。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。如图I所示，本发明一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法，利用计算机中存储的有限元计算软件ANSYS，按照下述步骤进行步骤一确定管道在役焊接的焊接条件，至少包括焊接工艺、管道及套管的尺寸、管道及套管的材质，环境温度和散热条件；其中在确定焊接工艺中，根据英国管道公司制定的关于焊接接头焊道的布置要求进行焊道布置；步骤二 创建管道及套管的实体模型，定义S0LID70单元划分映射网格，并根据实际工况施加在役焊接温度场的求解约束及载荷，其中至少包括环境温度、移动焊接热源的热生成率、管道内部燃气介质的强制换热系数；然后求解，得出管道在役焊接的温度场；步骤三读取在役焊接温度场的结果文件，并根据管道内壁最高温度的具体数值初步判断管道是否有被烧穿的可能；步骤四创建管道及套管实体结构分析模型，定义MESH 200单元和SOLID 45单元，将上述温度场得到的节点温度作为载荷施加到结构分析模型上，定义边界约束条件，管道内部施加压强载荷，对管道和套管的端部施加轴向位移约束，然后求解；步骤五从而得到管道在役焊接的全部结构分析结果，继而评估在役焊接行为的结构响应。实施例利用计算机中存储的有限元计算软件ANSYS进行燃气管道在役焊接行为的结构分析包括以下步骤步骤一确定在役焊接条件焊接工艺参数第一、二道焊I=90A，U=20V，焊接速度V=3mm/s ;第三、四道焊I=IlOA, U=25V，焊接速度V=5mm/s ;管道内压P=4MPa，管内燃气流速，v=20m/s ;管线外径为609mm,壁厚为7. Imm,套管的壁厚为19mm,管线和套管之间的间隙为2mm,示意图如图2。步骤二 创建套管修复的在役焊接实体模型，定义S0LID70单元划分映射网格，套管环焊缝的焊接设计为4道焊，接头示意图如图2所示。进行有限元分析时，为减少计算的时间，取整体结构的八分之一进行分析，如焊缝剖面示意如图3所示。
在温度场计算时，定义MESH200单元和热分析单元为SOLID 70。焊缝区域及管道内壁的温度为本发明的目标分析区域，焊缝区温度较高且变化梯度大，网格比较密集，单元长度为2mm ;远离焊缝的区域温度较低且变化梯度较小，则网格比较稀疏。定义换热边界条件，确定管道内不同压强下的燃气换热系数，不同焊接工艺下热源的热生成率。本实例中，管道外壁与空气的换热系数取为为25W/m2。C，管道内部燃气的强制换热系数为1101W/m2° C，求解，得出管道在役焊接的温度场。图4示出了第一道焊接时的温度场等值图；图5示出了第一道焊接的焊缝剖面的温度场等值图。步骤三读取在役焊接温度场的结果文件，查看温度场云图，并根据管道内壁最高温度的具体数值初步判断管道是否有被烧穿的可能。步骤四创建管道及套管实体结构分析模型，定义MESH 200单元和应力单元SOLID 45 (与SOLID 70对应的结构分析单元)。将上述温度场得到的节点温度作为载荷施加到结构分析模型上，定义边界约束条件，管道内部施加压强载荷，对管道和套管的端部施加轴向位移约束，然后求解。步骤五得到管道在役焊接的结构分析结果，包括位移、应力、主应力、等效应力等，可以显示焊接过程中某瞬时的应力响应云图，图6示出了焊后冷却到室温的位移等值图，图7示出了焊接稳定时的环向应力场；根据ANSYS计算分析的结果，分析在役焊接管道内壁的轴向、环向、等效应力和位移等结构特征参量，从而提出评估报告；或更改焊接工艺参数，重新进行计算和分析。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法，其特征在于，利用计算机中存储的有限元计算软件ANSYS，按照下述步骤进行 步骤一确定管道在役焊接的焊接条件，至少包括焊接工艺、管道及套管的尺寸、管道及套管的材质，环境温度和散热条件；其中在确定焊接工艺中，根据英国管道公司制定的关于焊接接头焊道的布置要求进行焊道布置； 步骤二 创建管道及套管的实体模型，定义S0LID70单元划分映射网格，并根据实际工况施加在役焊接温度场的求解约束及载荷，其中至少包括环境温度、移动焊接热源的热生成率、管道内部燃气介质的强制换热系数；然后求解，得出管道在役焊接的温度场； 步骤三读取在役焊接温度场的结果文件，并根据管道内壁最高温度的具体数值初步判断管道是否有被烧穿的可能； 步骤四创建管道及套管实体结构分析模型，定义MESH 200单元和SOLID 45单元，将上述温度场得到的节点温度作为载荷施加到结构分析模型上，定义边界约束条件，管道内部施加压强载荷，对管道和套管的端部施加轴向位移约束，然后求解； 步骤五从而得到管道在役焊接的全部结构分析结果，继而根据管道材料的性能和管道内壁的最高温度及应力分布评估在役焊接行为的结构响应。
全文摘要
本发明公开了一种燃气管道在役焊接行为的结构分析方法，利用有限元计算软件ANSYS，按照下述步骤进行确定管道在役焊接的焊接条件；创建管道及套管的实体模型，根据实际工况施加在役焊接温度场的求解约束及载荷，求解得出管道在役焊接的温度场；读取在役焊接温度场的结果文件，并根据管道内壁最高温度的具体数值初步判断管道是否有被烧穿的可能；创建管道及套管实体结构分析模型，求解后得到管道在役焊接的全部结构分析结果，继而根据管道材料的性能和管道内壁的最高温度及应力分布评估在役焊接行为的结构响应。本发明可以根据实际工况的变化修改模型、载荷和求解参数，可大大减少焊接工艺试验工作量，提高分析效率，降低生产测试成本。
文档编号G06F17/50GK102982212SQ20121051330
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月4日 优先权日2012年12月4日
发明者杨康, 王立君, 邸新杰, 鲍秀伟, 史业腾, 高秀民 申请人:天津大学