天然气管道不停输带压改线焊接研究

【摘要】： 随着地下燃气管道的广泛使用,实际工程中不可避免地应用到在役燃气管道带压改线技术。目前我国带压管道改线技术只是基于过去积累的经验,缺乏对整个改造工程科学、量化的数据支持。因此,本课题将对天津市某带压燃气管道改线工程进行系统的研究与校验,主要考察焊接过程中燃气管道内壁的温度和焊接力学行为。 本课题首先针对带压管道改线中的环焊缝制定合理的焊接工艺参数,包括:焊接方法,焊接材料的选择、焊接接头的尺寸及热处理方法等。主要用到的试验方法为拉伸试验、刻槽试验、宏微观金相试验和硬度测试。 焊接工艺确定后,应用有限元软件ANSYS对这种方式下的带压管道改线焊接过程进行模拟。焊接过程包含了热学和力学两种问题,所以选择有限元数值模拟方法的热-应力耦合法对改线问题进行模拟。同时,又由于焊接过程是一个不均匀的瞬态非线性热输入问题,为了得到精确模拟结果,本文选择了间接耦合方法分别对3MPa,4MPa和5MPa管道内压情况下的模型进行热学数值计算,对3MPa和4MPa内压下的模型进行了力学数值计算,其中对焊接过程应用了“生死单元”这个功能。在热学与力学耦合部分,为了协调二者网格疏密程度不一致问题,本文应用了ANSYS的BFINT功能对体载荷进行插值运算。 最终发现三种内压下进行的带压改线焊接,对于所采用的手工电弧焊接工艺,燃气管道内壁的最高温度为755℃,低于Battelle的982℃,即施工过程中不会发生烧穿现象。同时,由于管道的对流系数会随着管道压力的升高而升高,因此燃气管道的内壁温度随之降低。 通过分别对3MPa管道内压进行模拟发现,焊接过程中的最大等效应力为327MPa,小于母材的屈服强度360MPa。改线焊接结束后,管道恢复供压时的4MPa时,管道的最大等效应力提高到337MPa,依然符合安全要求。另一方面,两种内压下,管道发生的最大位移均小于1mm界限,也符合安全经验标准。因此,针对本文研究的管道结构,在3MPa下进行带压燃气管道的改线施工是一种安全合理的选择。 【关键词】：天然气管道 带压改线焊接 有限元模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TG457.6
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-12
• 1.1 研究背景综述7-8
• 1.2 焊接有限元分析的国内外研究背景8-10
• 1.3 本课题的研究意义10
• 1.4 本文研究思路10-12
• 第二章 天然气管道带压不停输焊接工艺设计及选择12-25
• 2.1 四通母材的选择12
• 2.2 带压管道焊接工艺设计12-14
• 2.2.1 焊接材料的选择12-14
• 2.2.2 焊接接头尺寸设计14
• 2.3 静态带压焊接试验14-16
• 2.4 静态带压焊接试验结果评定16-24
• 2.4.1 选取试样16
• 2.4.2 拉伸试验16-19
• 2.4.3 刻槽锤断试验19-20
• 2.4.4 宏观金相试验20-21
• 2.4.5 微观组织形态21-22
• 2.4.6 硬度测试22-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 燃气管道带压改线焊接有限元模拟25-32
• 3.1 有限元简介25-26
• 3.2 有限元模拟步骤26-28
• 3.2.1 选择耦合分析方法26-27
• 3.2.2 间接耦合场分析27-28
• 3.3 生死单元28-29
• 3.4 有限元模型29-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第四章 环焊缝焊接热学模拟及结果分析32-46
• 4.1 有限元热学模拟的目的32-33
• 4.2 有限元热学模拟中的基本概念33-35
• 4.2.1 三种基本热传递方式[30]33-34
• 4.2.2 热载荷方式34
• 4.2.3 线性与非线性热分析34-35
• 4.3 热学模拟过程及结果分析35-44
• 4.3.1 网格的划分35-36
• 4.3.2 焊接热源模型36-37
• 4.3.3 热学模拟的边界条件37-38
• 4.3.4 热学模拟结果及讨论38-44
• 4.4 本章小结44-46
• 第五章 环焊缝结构模拟及结果分析46-57
• 5.1 有限元结构模拟的目的46
• 5.2 弹塑性材料强度理论46-48
• 5.3 结构模拟过程及结果分析48-55
• 5.3.1 网格的划分48-49
• 5.3.2 模型的约束和加载49-50
• 5.3.3 结构模拟结果及讨论50-55
• 5.4 本章小结55-57
• 第六章 结论57-59
• 参考文献59-63
• 发表论文和参加科研情况说明63-64
• 致谢64

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