基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价.pdf

无损检测2023年第45卷第6 期62DOI:10.11973/jc202306013试验研究基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价孙贺斌，魏晓枭，李军?，张兆钰”，周治伊2（1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，兰州7 30 0 7 0；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州7 30 0 7 0)摘要：压力管道作为调相机运行中不可缺少的部件，通常采取焊接方式进行连接，因此焊接质量直接影响调相机的安全。利用Comsol仿真模拟软件对含未焊透缺陷的压力管道及其尖端裂纹应力强度因子进行计算，并结合标准GB/T196242019在用含缺陷压力容器安全评定对焊接管道安全性给予相关评价。结果表明，未焊透缺陷深度临界尺寸为0.8 5mm，安全评价指标临界数值为0.44;未焊透缺陷尖端裂纹强度因子大于管道材料门槛应力强度因子(1.9 8 MPamml/2），外载荷作用下裂纹扩展，裂纹尖端应力场强度因子K1增大；当裂纹尖端应力场强度因子达到2 0 钢断裂韧性（30.4M Pa mml/2）时，裂纹将出现失稳扩展，造成材料的断裂。关键词：压力管道；未焊透；应力场强度因子；断裂韧性；安全评价中图分类号：TG407;TG115.28文献标志码：A文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 6-0 0 6 2-0 5Safety evaluation of tube with incomplete penetration defect based on simulationSUN Hebin,WEI Xiaoxiao”,LI Jun,ZHANG Zhaoyu,ZHOU Zhiyi?(1.Gansu Electric Power Research Institute Technology Center Co.,Ltd.,Lanzhou 730070,China;2.State Grid Gansu Electric Power Company Electric Power Research Institute,Lanzhou 730070,China)Abstract:The pressure tube is a necessary accessory for the phase modifier for normal service,and which is usuallyconnected by welding,therefore,the welding quality directly affects the safety of the phase modifier.In this paper,wecalculated and analyzed the stress intensity factor of both the pressure pipe with incomplete penetration defects and its tipcrack by using the Comsol simulation software.In addition,we evaluated on the safety of welded tubes based on thestandard GB/T 19624-2019 Safety Assessment of Pressure Vessels with Defects in Use.The results show that thecritical dimension of the depth of incomplete penetration defect is 0.85 mm,and the critical value of the safety evaluationindex is 0.44.The crack intensity factor at the tip of the incomplete penetration defect is greater than the threshold stressintensity factor of the tube material(1.98 MPamm/2).The crack expands under the action of external load,and thestress field intensity factor Ki at the crack tip increases.When the stress field intensity factor at the crack tip reaches thefracture toughness of 20 steel 30.4 MPamml/2,the crack will expand unsteadily,thus resulting in material fracture.Key words:pressure tube;incomplete penetration;stress field intensity factor;fracture toughness;safetyassessment在“西电东送、北电南供”的国家能源战略部署下，大跨越、大容量特高压交直流混联大电网建设势在必收稿日期：2 0 2 2-0 8-14基金项目：甘肃省人力资源和社会保障厅博士后专项经费作者简介：孙贺斌（19 9 0 一），男，本科，工程师，主要研究方向为金属材料的无损检测及失效分析通信作者：魏晓枭（19 9 0 一），男，博士，主要研究方向为材料力学行为，arno_行。作为电网稳定运行的“压舱石”，调相机在解决受端电网无功不足、提高电网动态电压稳定裕度、保障特高压工程安全稳定运行等方面具有重要意义-3润滑油系统压力管道作为调相机系统不可或缺的一部分，其服役状态直接影响调相机的安全、稳定运行4-6 压力管道作为石油、电力能源、化工等领域的重要输送通道，常以焊接方式进行连接。未焊透缺陷无损检测2023年第45卷第6 期63基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价孙贺斌，等：是焊接工艺中常见的体积型缺陷，其不仅减少了焊接截面，而且易导致应力集中、诱发裂纹形核与扩展，使焊接接头强度大幅降低。鉴于此，压力管道焊接缺陷的安全评价结果将直接决定压力管道是否能够继续服役。范成龙等6 利用有限元法计算了未焊透缺陷处的最大应力幅值；郭培杰等7 采用P-SAPE管道应力分析软件，通过U因子评定法，计算了管道缺陷评定参数。王海锋等采用 CAESAR I软件对含未焊透缺陷的管道进行了应力分析和安全性评价-10。上述研究工作主要聚焦于未焊透缺陷的安全评价，对于未焊透尖端应力集中形成的裂纹场的研究还不足。笔者依据标准GB/T196242019在用含缺陷压力容器安全评定附录H压力管道直管段体积缺陷安全评定方法”，结合仿真模拟技术，通过对未焊透及尖端裂纹应力场进行安全性评定，进而为判断含未焊透缺陷压力管道能否继续服役提供理论依据。1缺陷检测与安全评价1.1缺陷检测调相机润滑油系统供油管道规格为50 mmX3mm（直径X壁厚）。根据标准NB/T47013.2一2015承压设备无损检测第2 部分：射线检测，对某供油管道进行射线检测，其结果如图1所示，可见，焊缝处存在断续的整圈未焊透缺陷。管道母材区域焊接区城管道母材区域木焊透缺陷图1某供油管道射线检测结果1.2缺陷安全评价依据标准NB/T47013.22015，对外径不大于10 0 mm的小径管，采用不加垫板、单面焊工艺进行焊接，未焊透质量分级结果如表1所示。当焊接质量小于级时，含未焊透缺陷的输油管道满足继续服役要求。然而，未焊透缺陷的存在还是会给输油管道安全、稳定运行带来隐患。为此笔者进一步对含有未焊透缺陷输油管道的运行安全性进行分析。表1未焊透的质量分级结果级别未焊透最大深/壁厚最大值未焊透总长/焊缝总长I不允许10%1.010%15%1.515%IV大于级2安全评价参数计算2.1缺陷的规则化及无量纲化处理对经规则化处理得到的缺陷尺寸，按如下方法进行无量纲化处理，即相对轴向长度可表示为a=A/VR.T(1)相对环向长度可表示为b=B/元R;(2)相对深度可表示为C=C/T(3)式中A为缺陷轴向半长，取3mm;B为缺陷环向半长，取元XR；C为体积缺陷的深度（见表2）；R。为管道外径，取2 5mm;R；为管道内径，取2 2 mm；T为管道计算壁厚,取3mm。为了精确计算未焊透缺陷对管道安全性的影响，选取5种不同深度的未焊透缺陷进行参数计算，其结果如表2 所示。表2不同深度未焊透缺陷的无量纲化参数工况缺陷深度C/mma6CS10.200.067S20.600.200S30.800.34610.270S40.850.280S51.000.3302.2材料性能参数的确定查阅资料获得输油管道所用材料的屈服强度（o。=2 45M Pa）和抗拉强度（ob=410MPa），利用公式=（os十ob)/2得到输油管道所用材料的流变应力为32 7.5MPa。无缺陷管道纯内压下的塑性极限内压为PLo=2R。(4)二olnV3R纯弯矩下的塑性极限弯矩为R。-R,3MLo=4oln(5)3无损检测2023年第45卷第6 期64基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价孙贺斌，等：通过计算可知PLo=48.34MPa，M L o=2.173 kNm。然后利用式（6)（11)计算含缺陷管道纯内压PLs，纯弯矩Mts下塑性极限载荷，计算结果如表3所示。PLs=pLs X PLo(6)pLs=0.95-(0.85+0.013a/b)Ae(7)A,=c(a.bc)1/3(8)ae=min(3.0,a)(9)Mis=mLs X MLo(10)元(1 一bc)csin元bmis=(l-c)sin(11)L2(1-c)2式中：a。为轴向半长与3.0 相比较的最小值；PLs为含缺陷管道在纯内压下的塑性极限内压；MLs为含缺陷管道在纯弯矩下的塑性极限弯矩。表3含未焊透缺陷管道纯内压、纯弯矩下塑性极限载荷工况缺陷深度C/mmPLs/MPaMLs/(kNm)S10.2045.152.027S20.6042.541.622S30.8041.091.590S40.8540.611.565S51.0039.301.4563仿真模拟计算3.1模型建立根据输油管道实际安装情况，结合射线检测结果，聚焦未焊透缺陷，截取包含未焊透缺陷的一段5m长的直管段管件进行仿真分析，其简化模型如图2 所示。焊接图2含未焊透缺陷输油管道的简化模型3.2材料属性调相机系统输油管道材料为2 0 钢，其仿真分析所用力学性能参数如表4所示。表42 0 钢材料力学性能参数材料弹性模量/GPa泊松比密度/(kg?m-3)管道2000.307.8X103焊缝2350.257.9X1033.3固定约束及载荷根据输油管道的服役工况，仿真分析重点关注管道内压（O.4MPa）、介质质量和管道自重。根据现场情况，结合理论分析得知，输油管道左右两端断面受固定约束，即输油管道在，方向既无平动，又无转动。3.4仿真结果分析含深度为0.2 mm未焊透缺陷的输油管道整体结构的VonMises应力云图和总体位移矢量云图如图3所示。由图3可知，输油管道结构的最大VonMises（最大等效应力）出现在管道中部，最大应力为2 1.4MPa，远远小于材料的屈服强度。输油管道结构的最大总体位移为1.58 mm，偏移位置集中于输油管道中部附近区域。另对比发现，未焊透缺陷深度为0.6 1.0 mm的管道整体结构的VonMises应力云图和总体位移矢量云图与未焊透深度为0.2 mm的管道整体结构的VonMises应力云图和总体位移矢量云图趋势一致，因此，文中不再赘述。2.1410741.58X1072.01.81.61.4u/1.21.01.580.80.60.40.21.38 10571.58图3管道整体VonMises应力云图及总体位移矢量云图不同工况下（S1S5)输油管道未焊透缺陷处的VonMises应力云图如图4所示。可见，随着未焊透缺陷深度的增大，未焊透缺陷处的最大应力值逐渐增大。当未焊透缺陷深度达到1.0 mm时，则缺陷处的最大VonMises应力值为16 MPa。3.5弯矩计算结合管道整体位移图和未焊透缺陷处的VonMises应力云图，进行计算则得到弯矩载荷，即Mmax=FL/2(12)式中：F为外力；L为力臂。各工况下管通所受弯矩载荷如表5所示；未焊透缺陷深度与应力的关系曲线如图5所示。4未焊透缺陷安全评价依据式（12），结合上述计算结果进行未焊透缺陷安全评价，不同深度处未焊透缺陷的评价指如图6 所示。无损检测2023年第45卷第6 期65基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价孙贺斌，等：1.32.1071.46.1071.13.107X107107X1071.21.41.01.21.00.81.00.80.80.60.60.60.40.40.40.20.20.2-1.89 1051.731051.74105(a)S1(b)S2(c)S31.61071.5107X107X10%1.61.41.41.21.2ed/4至1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.21.751051.72 105(d)S4(e)S5图4不同工况未焊透缺陷处的VonMises应力云图表5各工况下管通所受弯矩载荷工况缺陷深度C/mmMmax/(kN m)S10.20.782S20.60.913S30.81.010S40.851.037S51.01.10718171615141312111010.00.20.40.60.81.01.2未焊透深度/mm图5未焊透缺陷深度与应力的关系曲线评价指标E可定义为P2M2E，E 0.44(13)P(MLsLS式中：P为内压；M为弯矩。由图6 可知，随着未焊透缺陷深度的增加，安全评价指标E逐渐增大。未焊透缺陷深度不大于0.6时，安全评价指标小于0.44，此时未焊透缺陷对0.70.60.5780.50.440.4030.40.320.30.20.150.10.00.20.40.60.81.01.2未焊透深度/mm图6不同深度处未焊透缺陷的评价指标输油管道的服役安全性影响较弱，可以继续服役。未焊透缺陷深度增加至0.8 5mm时，安全评价指标达到其临界数值（0.44），故认为深度超过0.8 5mm时，未焊透缺陷将会严重影响管道的正常安全运行。未焊透缺陷尖端通常存在应力集中，可能诱发裂纹，形成裂纹尖端的应力场，为了进一步确保输油管道运行的安全性及稳定性，针对裂纹展开安全评价。5裂纹安全评价根据断裂力学知识对裂纹尖端应力场进行分析，由断裂力学公式可知，裂纹前端附近应力场的强弱主要取决于一个力学参数（应力场强度因子K），即Ki=Yova(14)无损检测2023年第45卷第6 期66欢迎刊登欢迎订欢迎网投稿基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价孙贺斌，等：式中：Y为无量纲系数，与裂纹形状、加载方式、试样几何尺寸等有关；为外加拉应力；为裂纹长度的一半。假设输油管道为含有单边裂纹的有限宽板条，并且受到均匀拉应力的作用。式（14)中Y的近似值为1.12，裂纹半长为0.0 7 8 5m，通过计算得到不同深度处未焊透缺陷应力场应力及应力强度因子，其结果如图7 所示。6.018一应力强度因子175.5一一应力165.0154.514134.0123.5113.0100.00.20.40.60.81.01.2未焊透深度/mm图7不同深度处未焊透缺陷应力场应力及应力强度因子通过查阅资料可知，输油管道所用2 0 钢的断裂韧性为30.4MPamml/2，门槛应力强度因子幅度为1.9 8 MPamml/2。结合上文相关仿真与计算结果得出以下结论。（1）裂纹深度不大于1.0 mm时，裂纹尖端应力场强度因子K1小于2 0 钢断裂韧性（30.4M Pa mml/2），材料不会发生脆性断裂。（2）裂纹深度不大于1.0 mm时，裂纹尖端应力场强度因子K1大于2 0 钢门槛应力强度因子幅值（1.9 8 MPamm/2），外载荷作用下裂纹尖端会继续扩展，随着时间的增加，裂纹尖端应力场强度因子Ki增大。当裂纹尖端应力场强度因子达到2 0 钢断裂韧性(30.4MPamml/2)时，裂纹将出现失稳，材料将发生失稳扩展，直至脆性断裂。6结论利用X射线无损检测技术对调相机输油管道焊接质量进行检测，基于检测结果假设了5种深度的未焊透缺陷，借助计算机模拟仿真技术对未焊透缺陷进行相关分析，最终根据标准GB/T19624一2019在用含缺陷压力容器安全评定的有关规定对含未焊透缺陷输油管道进行安全评定，得出以下结论。(1)在管道内压、介质质量和管道自重共同作用下，输油管道未焊透缺陷深度的安全临界值为0.85mm。当未焊透缺陷深度超过0.8 5mm后，难以保证输油管道服役安全。(2)通过仿真模拟手段针对未焊透缺陷及裂纹尖端应力场进行安全评价，理论分析了输油管道运行的可靠性，为压力管道检测评判及运行维护提供了理论依据。参考文献：1鲁国飞，黄华，王佳宁，等.特高压换流站调相机系统控制策略分析J.电工技术，2 0 2 2（7）：146-151.2李富荣，马涛，彭军.新型调相机润滑油系统故障原因分析及处理J.青海电力，2 0 2 2，41（1）：7 1-7 4.3张曙云，周翔.蓄能器对大型调相机润滑油系统稳定性的改善研究J.电气技术，2 0 2 1，2 2（6）：8 2-8 6.4王卿卿.高压直流输电调相机运行状态预测与状态评估方法研究D.长沙：湖南大学，2 0 2 1.5李俊卿，陈雅婷，孙福春，等.大型同步调相机油系统的健康状态评价J.电力科学与工程，2 0 2 0，36（2）：1-6.6范成龙，黄启斌，寇超，等.含未焊透缺陷压力管道的安全评定J.化学工程与装备，2 0 2 2（2）：2 18-2 2 2.7郭培杰.含未熔合缺陷压力管道的安全评定J.山东化工,2 0 2 2,51(3)：18 3-18 5.8王海锋，郭涛，周海彦.在用含未焊透缺陷工业管道的安全评定J.管道技术与设备，2 0 2 1（1）：6-8.9汪磊，钱盛杰，向登峰.基于CAESAR的含未焊透缺陷压力管道的安全评定J.化工装备技术，2 0 19，40(6):24-27.10沈峰，黄懿.含未焊透缺陷在用压力管道安全评定J.化工设备与管道，2 0 18，55（2）：7 1-7 3.