连续油管斜接焊缝弯曲过程应变分析

针对连续油管使用过程中出现的对接斜焊缝失效问题,采用ANSYS有限元分析软件建立了连续油管弯曲-矫直几何模型,对HS110钢级Φ50.8 mm×4.78 mm连续油管斜接焊缝的疲劳应变强度进行了分析。分析结果显示,连续油管斜接焊缝热影响区在弯曲状态下的等效应变比本体材料高30%左右;零内压弯曲情况下,随着循环次数的增加,弯曲后等效应变和矫直后残余应变在弯曲内侧内壁上增长最快;带压作业情况下,当内压超过15 MPa后,其残余应变迅速增加。研究表明,连续油管在弯曲作业过程中,斜接焊缝热影响区的强度有较大程度下降,连续油管的累积应变在弯曲内侧内壁处累积最快,此处易发生疲劳失效。     

自增强超高压弯管最佳超应变研究

为了提高超高压弯管的静强度和疲劳强度,最有效的方法是对其进行超应变处理。利用ANSYS有限元软件对规格为78mm×22mm,工作压力为300MPa的超高压厚壁弯管进行了自增强分析,得出了管壁残余应力分布规律和危险点。分析了基于静强度和疲劳强度的最佳超应变,分别得出了理论最佳超应变内压。最后对工程应用提出建议:以静强度失效为主的弯管,最佳自增强内压为620MPa;以疲劳失效为主的弯管,自增强压力取700～750MPa为宜。     

流体激励下弯管流固耦合振动特性分析

流体流经弯管时,由于管道结构改变,流体冲击弯曲管壁形成激励,使弯管发生振动。振动的弯管反过来又会影响流体流态,形成流固耦合振动。利用ANSYS Workbench软件,建立弯管和流体有限元模型,进行流体激励下弯管流固耦合振动特性分析,考察流体波动频率对弯管流固耦合振动幅值的影响。分析结果表明:考虑流固耦合作用,弯管的固有频率降低;与考虑双向流固耦合作用相比,单向流固耦合作用时弯管振动变形与应力较小;当流体流经弯管时,最大等效应力出现在管道入口端和出口端,最大变形出现在弯管弯曲段;流动流体激励下弯管流固耦合振动的主要形式为横向振动。     

井口处连续油管最大允许轴向载荷分析

针对井口处的连续油管,考虑残余曲率,通过梁弯曲理论推导出连续油管的形态方程和挠度方程,建立了连续油管截面应力模型和最大允许轴向载荷模型。研究表明,连续油管易在凹侧外表面产生过大压应力,发生强度失效; 连续油管最大允许轴向载荷随着井口处长度增大而减小,随着连续油管壁厚增大而增大。井口处长度对最大允许轴向载荷起主要作用,在实际应用过程中应尽可能缩短注入头下端和井口位置上端之间的长度。     

壁厚不均匀弯管应力分析建模新方法

基于长输管道中弯管壁厚在经向与周向存在不均匀性,提出了一种新的弯管模型。通过对比内压作用下均匀壁厚弯管平均应力的有限元模拟值与理论值,验证了弯管建模方法的可靠性。运用新的弯管建模方法,得到了不均匀壁厚弯管在内压与面内弯矩联合作用下的应力分布规律。运用应力分离技术分析了不均匀壁厚弯管薄膜应力与弯曲应力的分布特征。研究结果表明,不均匀壁厚对弯管薄膜应力的分布有较大影响;适当的壁厚不均匀有利于增强弯管承受内压的能力;不均匀性壁厚弯管进行强度校核时,应适当增大经向和周向的弯曲应力增强系数。研究结果可为实际弯管的设计制造和安全评价提供依据。     

基于ANSYS压力容器筒体与平板封头焊缝残余应力有限元分析

焊接常用于压力容器等特种设备制造中。在焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生焊接变形和残余应力。为预测焊接变形,采用有限元软件ANSYS中生死单元技术对压力容器筒体与平板封头单面焊焊接过程进行数值模拟,得出焊缝焊接残余应力、温度场及位移场的分布情况,经过分析可以得出:在焊缝区及熔合区温度极高,远离焊缝温度峰值急剧下降;在熔合区焊接残余应力达最大值,焊根处残余应力较小,在热影响区,沿焊缝方向多为拉应力,垂直焊缝方向多为压应力。     

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。     

交变压力下固井界面微间隙产生规律研究

针对油井长期服役过程中的固井界面微间隙产生机理及规律问题,对比国外学者的经典试验,利用ABAQUS有限元软件对套管内压交变作用下的固井界面力学响应进行了模拟分析。分析结果表明,当套管和水泥环应力均处在弹性范围内时,没有微间隙产生;而在高应力作用下水泥环中存在塑性残余变形时,套管内压交替变化将导致套管、水泥环和地层界面变形不再协调,将可能脱开产生微间隙。因此得出结论:套管内压交变作用下的水泥环塑性残余变形是导致微间隙产生的主要原因之一。进一步对影响微间隙尺寸的关键因素及规律进行分析,指出套管内压值越大,产生微间隙的可能性就越大,套管内交变压差越大,微间隙的尺寸就越大;在套管内交变压力作用下,软地层比硬地层固井界面更容易产生微间隙;同时,选用低弹性模量水泥固井界面产生微间隙的可能性则会降低。研究结果对环空带压和环空窜流的产生原因及预防具有重要意义。     

SS400薄板手工电弧焊和氩弧焊残余应力对比分析

为了研究SS400钢板不同焊接方法残余应力的分布规律,分别对4 mm厚的低合金高强钢采用手工电弧焊和氩弧焊进行焊接,焊接后采用盲孔法测量钢板的残余应力,得到了残余应力的分布曲线。试验结果表明:手工电弧焊在焊接区垂直焊接方向的残余应力最大值为387 MPa,在焊缝两侧为压应力,距离焊缝两侧12 mm处,压应力最大;平行焊接方向上的残余应力在中间位置为拉应力,在工件两边为压应力,靠近边缘压应力增大。氩弧焊垂直于焊接方向上的最大拉应力为328 MPa,在焊缝两侧的距离为7 mm处,压应力最大;平行于焊接方向上的残余应力曲线与手工电弧焊的相似,氩弧焊的焊接变形小于手工电弧焊。     

循环应力作用下水泥环密封性实验研究

利用自主研发的水泥环密封性实验装置研究了套管内加卸压循环作用下水泥环的密封性,根据实验结果得出了循环应力作用下水泥环密封性失效的机理。实验结果显示,在较低套管内压循环作用下,水泥环保持密封性所能承受的应力循环次数较多;在较高循环应力作用下,水泥环密封性失效时循环次数较少。表明在套管内较低压力作用下,水泥环所受的应力较低,应力水平处于弹性状态,在加卸载的循环作用下,水泥环可随之弹性变形和弹性恢复;在较高应力作用下,水泥环内部固有的微裂纹和缺陷逐渐扩展和连通,除了发生弹性变形还产生了塑性变形;随着应力循环次数的增加,塑性变形也不断地累积。循环压力卸载时,套管弹性回缩而水泥环塑性变形不可完全恢复,2者在界面处的变形不协调而引起拉应力。当拉应力超过界面处的胶结强度时出现微环隙,导致水泥环密封性失效,水泥环发生循环应力作用的低周期密封性疲劳破坏。套管内压力越大,水泥环中产生的应力水平越高,产生的塑性变形越大,每次卸载时产生的残余应变和界面处拉应力也越大,因此引起密封性失效的应力循环次数越少。      

夹层管卷筒式安装缠绕和校直阶段力学行为分析

兼具抗压与保温功能的夹层保温管道是深水油气输运潜在的理想解决方案,但卷筒式安装导致的残余应力和塑性变形则是影响其承载能力的重要因素之一。为了分析夹层管卷筒式安装缠绕和校直过程导致的残余应力和塑性变形的变化规律,建立了海洋深水夹层管卷筒式安装的数值模型,并利用室内全尺寸实验结果验证该模型的准确性;利用该有限元模型,分析了深水夹层管卷筒式安装过程中应力—应变变化规律、夹层管截面椭圆度变化情况以及安装校直后夹层管等效塑性应变的累积情况;通过参数分析讨论了夹层管的钢管厚度和层间黏结属性对夹层管卷筒式安装力学行为的影响情况。研究结果表明：①基于所建立的夹层管卷筒式安装数值分析模型求得的夹层管缠绕和校直阶段的塑性应变,与实验结果的误差分别为0.7%和0.5%,证明该模型可以满足计算精度的要求;②在夹层管缠绕和校直过程中,夹层管层间接触属性对于轴向塑性应变和周向塑性应变影响均较小;③夹层管钢管厚度对于夹层管轴向塑性应变的影响较小,但其对外层钢管周向塑性应变的影响却较为明显;④校直过程显著影响夹层管道椭圆度,影响程度随着外层钢管壁厚的增加而增大,同时卷筒式安装过程产生一定程度的塑性应变累积,将影响夹层管的承载能力。结论认为,所建立的数值模型可用于夹层管卷筒式安装力学行为分析,为考虑安装缺陷影响的夹层管承载能力计算提供了技术支持。     

注水管柱应力与轴向变形分析

利用弹性力学理论详细分析了注水压力、注水管柱自重、井口压力、流量、地层温度和液体流动摩擦阻力对注水管柱应力及轴向变形的影响,并给出了相应的计算公式。通过实际算例得出以下结论：（１）液体流动摩擦引起的动应力与速度的平方成正比,在总应力中占有相当比例;（２）注水管柱的轴向变形中,液体流动及地温引起的变形是不可忽略的因素;（３）在实际工程中,由于井壁对注水管柱及封隔器的摩擦作用,管柱的实际应力和轴向变形小于理论计算值。     

油气输送用大直径厚壁埋弧焊管残余应力及控制研究

针对油气输送用大直径厚壁埋弧焊管的残余应力问题,采用盲孔法测试了螺旋焊管和直缝焊管的残余应力,归纳了焊管制造过程中残余应力的演变规律,探讨了钢管制造过程中不同工序下残余应力的分布及其影响因素和控制方法。研究结果显示,板材矫直和钢管成型后的残余应力保持在150～200 MPa,且螺旋成型略大于直缝成型,成型过程的压下量对残余应力的影响有限;钢管焊接是在成型应力的拘束环境下进行的,直接影响焊缝的横向变形与残余应力,使得残余应力峰值不在焊缝中心,而是靠近焊缝区,螺旋焊管和直缝焊管的该区域残余应力均最高;制管过程中后续的水压试验、喷砂和防锈涂敷等工序,使残余应力得到大幅度降低,且分布更加均匀,螺旋焊管和直缝焊管残余应力峰值均保持在200 MPa左右,直缝管更低一些。研究表明,可以通过适当提高水压试验压力和涂敷温度的方法调节焊管残余应力。     

不锈钢弯管的皱波问题及其预防措施(上)

为了预防不锈钢冷弯管时出现的皱波问题,首先从管件制造标准化角度考察和评估了冷弯方法的优点及其合理的应用范围,然后分析了不锈钢冷弯时发生皱波的"薄"壁条件、影响因素,并通过两个典型案例进行了分析。分析指出,皱波的实质是拱腹压缩塑性变形区的"压杆"失稳屈折现象。依据钢管的t_o/d_o和R_o/d_o决定的弯管"薄"壁度,合理设置芯棒型式及其他模具加工和安装精度确定的"间隙",以从力学上增强"压杆"抗压稳定度,这是预防皱波的必要保障。不锈钢管制造标准允许的t_o和d_o公差带往往大于"薄"壁弯管所必须的模具间隙,有时会在小批量多品种规格不锈钢弯管时产生皱波,但只要把握"薄"壁度,重视芯棒结构,模具间隙及弯管参数的合理调整,不锈钢冷弯管时的皱波问题是可以解决的。     

防止超高压管道腐蚀开裂措施的研究

对高压聚乙烯装置中的４３４０钢超高压厚壁管弯头外表面裂纹的分析表明，裂纹属于冷却水介质中的腐蚀疲劳开裂。冷弯加工造成的残余拉应力促进了裂纹的萌生。分别用电测、盲孔及磁测法测定了Ｇ４３３５Ｖ高强钢厚壁管在冷弯加工过程中及弯后外表面的残余应力和分布，并试验了回火及喷丸措施对降低弯头外表面残余拉应力的效果。     

往复式高压注水泵泵头复合强化工艺

决定往复式高压注水泵工作可靠性的关键因素是泵头（阀箱）的工作寿命。运用断裂力学、金属学、疲劳损伤、金属强化、有限元分析和机械制造工艺等理论和方法，提出了泵头复合强化工艺，即首先对泵头内腔表面实施薄壳硬化自增强处理，使该内表面具有压应力场；随后对此内表面进行强力喷丸，使之最终获得最佳残余压应力场，从而大大提高泵头的疲劳断裂抗力和应力腐蚀（含氢脆）断裂抗力。研究表明，由强力喷丸引入薄壳硬化层的残余压应力场和塑变引起的γ－α相变，是提高泵头疲劳强度的两个重要因素。     

天然气输送管道热弯钢管腐蚀缺陷的完整性评价

为了评价天然气输送管道热弯钢管腐蚀缺陷的完整性,分别对热弯钢管及含腐蚀热弯钢管进行了有限元分析(FEA).对热弯钢管有限元分析的结果表明,应变在拉伸区域轴向为正值,在压缩区域轴向为负值,而径向应变分布却与此相反,且钢管的壁厚和应变与弯曲角无关.通过对不同壁厚、平均壁厚、含对称腐蚀缺陷以及含非对称腐蚀缺陷热弯钢管爆破压力...     

日本汽缸筒体用ERW钢管的开发

日本开发的高压气缸用ＥＲＷ钢管重要特性是内压疲劳，一般说这个特性与强度成比例，同时受残余应力的影响，现在汽缸用ＥＲＷ钢管，从尺寸精度来看，一般采用拔管加工，由于残余拉应力的发生而使疲劳极际降低。于是开发出在拔管时采用二段式顶头的拔管扩管法，其结果可以确保稳定残余压应力，内压疲劳极限在外径１０％，壁厚３２．７％的拔管＋０．５％扩管条件下提高１７％。     

基于应变设计管道局部屈曲应变极限值的计算

已有的管道设计主要采用基于应力的设计准则,但对于诸如地震、滑坡、海底管道敷设等位移控制情况下的管道,基于应力的设计准则偏于保守,采用基于应变的设计方法将更为科学合理。为了探究管道基于应变设计方法的应用情况,对相关规范中基于应变设计的内容进行了总结和比较,对以应变为基础的设计准则适用情况也进行了说明。比较发现挪威、加拿大等规范中管道局部屈曲压应变限值公式存在差异,在不同径厚比和设计压力下分别采用上述公式对管道压应变限值进行了计算,结果表明：加拿大规范公式和日本SUZUKI公式较为保守。为适应实际工程应用需求,建议在不考虑设计压力时取0.3 t/D（D为管道外径;t为管道壁厚）作为对管道压应变极限的保守估计,需要考虑设计压力时采用加拿大规范中的公式。我国目前还没有建立与失效模式相对应的基于应变的管道设计准则,相关研究成果可为我国在相关领域的探索提供参考。     

螺旋缝埋弧焊管的水压和稳压试验及残余应力

对外径 660mm、壁厚 7 1mm国产内胀成形X60钢级螺旋缝埋弧焊管的未水压、水压后和稳压后 3种管段样品 ,用机械切割应力释放法进行了内外表面残余应力的测试。试验结果分析表明 ,油气输送管出厂前的水压试验以及油气管道施工完毕后的稳压试验均会使螺旋缝埋弧焊管内外表面总体残余应力分布趋于均匀 ,并且明显降低内表面残余应力 ,特别是对呈残余拉应力的焊缝区域作用更大。研究分析认为 ,把我国螺旋缝埋弧焊管水压试验压力从 0 9SMYS提高到1 0SMYS ,甚至接近焊管屈服强度 ,可消除或降低螺旋缝埋弧焊管有害的残余拉应力。