基于椭圆度卷轴铺设过程矫直质量控制方法研究

由于管道在铺设过程的反复塑性变形,会产生残余应力、残余塑性应变及椭圆度,较大地影响了铺管作业质量.分析得到椭圆度为铺设过程的重要影响因素,结合已有的卷轴铺设残余应变控制法,提出椭圆度与残余应变共同控制法.通过有限元软件建立三维铺设模型,模拟上卷矫直过程应力应变变化规律.对于模拟的管道截面,若以残余应变作为矫直参数,矫直位移150 ～ 300mm均符合要求;但是加入椭圆度作为另一个矫直参数,则选择椭圆度1.40％,矫直位移200mm左右为最佳.该项研究成果为矫直过程的参数选择提供了合理依据,对工程实践具有一定的借鉴意义.     

焊接残余应力对深水立管力学性能的影响

在J型铺管时,焊接质量对于钢悬链线立管能否安全服役有着很大的影响。在系统研究焊接残余应力分布规律的基础上,运用整体模型和局部模型相结合的方法,研究了立管焊接残余应力对深水立管力学性能的影响。建模时使用ABAQUS软件模拟焊接过程,利用DFLUX子程序进行二次开发来编译双椭球热源模型,将焊缝及附近区域的网格进行加密细划。分析结果表明,焊接残余应力对深水钢悬链线立管焊缝中心线附近的强度影响很大,对于立管整体来说,焊接塑性区存在的范围很小,即使应力过大也不会造成承载面的全屈服而发生立管的塑性断裂;在焊接残余应力影响下,各水深立管管段所受的平均应力幅值均有所增大,疲劳损伤增加;J型铺管时建议采取一定的应力释放措施,以保证钢悬链线立管在使用年限内能够安全服役。     

不同应力状态下膨胀管力学性能试验研究

通常膨胀管在变形后壁厚不均匀度、管体弯曲程度会增加,导致膨胀管的抗拉、抗挤毁等力学性能下降。利用网格法分析了不同应力状态下膨胀管在膨胀过程中的金属塑性流动过程,并通过室内试验进行了对比研究,详细分析膨胀过程中的宏观现象。结果表明,残余应力会增加膨胀管塑性变形力,使膨胀过程困难,膨胀后管体弯曲变形严重;处于应力状态的膨胀管膨胀后管体网格在一侧堆积,表明金属塑性流动过程沿轴向不均衡。     

利用拘束度耦合模型计算管道焊接残余应力

焊接残余应力是造成焊缝开裂失效的主要原因,因而精确描述应力对于管道安全输送极为重要,而外加拘束是影响焊接应力分布的众多因素之一。为此,应用ANSYS仿真软件,采用实体—壳单元耦合建模方法,建立了拘束度与焊接过程的温度场和应力场耦合仿真模型,研究了拘束对油气管道焊缝应力的影响。同时,还基于自建的1套自拘束焊接试验装置,实现了不同拘束状态下管道的焊接,并通过应变仪采集焊接过程中的应力应变数据,与模拟结果进行对比,进而证明了ANSYS仿真耦合模型的有效性。结果表明:①对于两端约束的钢管焊接对接接头,随着管长增加,焊缝处的轴向应力减小,在距离焊缝230 mm处的轴向应力亦减小;②焊趾处的塑性应变亦减小,整体焊接结构的拘束度降低;③焊接的管道残余应力随着拘束度的上升而增大,拘束情况对焊接残余应力的影响明显;④拘束度最大的0.5 m×0.5 m管子,其焊接残余拉应力最大可达140 MPa,高残余拉应力会严重削弱管道的整体性能。进而提出建议:加强管道建设期间的焊接施工管理,避免产生管道焊接时的强拘束。     

拘束度耦合模型计算管道焊接残余应力

焊接残余应力是造成焊缝开裂失效的主要原因,因而精确描述应力对于管道安全输送极为重要,而外加拘束是影响焊接应力分布的众多因素之一。为此,应用ANSYS仿真软件,采用实体—壳单元耦合建模方法,建立了拘束度与焊接过程的温度场和应力场耦合仿真模型,研究了拘束对油气管道焊缝应力的影响。同时,还基于自建的1套自拘束焊接试验装置,实现了不同拘束状态下管道的焊接,并通过应变仪采集焊接过程中的应力应变数据,与模拟结果进行对比,进而证明了ANSYS 仿真耦合模型的有效性。结果表明：①对于两端约束的钢管焊接对接接头,随着管长增加,焊缝处的轴向应力减小,在距离焊缝230 mm处的轴向应力亦减小;②焊趾处的塑性应变亦减小,整体焊接结构的拘束度降低;③焊接的管道残余应力随着拘束度的上升而增大,拘束情况对焊接残余应力的影响明显;④拘束度最大的0.5 m×0.5 m管子,其焊接残余拉应力最大可达140 MPa,高残余拉应力会严重削弱管道的整体性能。进而提出建议：加强管道建设期间的焊接施工管理,避免产生管道焊接时的强拘束。     

焊后热处理改善管道直焊缝残余应力的数值模拟研究

以X80钢级Φ1 219 mm直缝埋弧焊管为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，通过顺序耦合算法和移动热源子程序及生死单元形式，对钢管直缝焊和经热处理后焊缝的残余应力进行了数值模拟，分析焊后热处理对焊缝残余应力的改善作用。结果表明，焊缝等效最大残余应力和轴向拉应力均出现在外层焊缝的中心处，局部焊后热处理能降低焊缝的残余应力，等效峰值应力由560 MPa左右降低到约430 MPa，降低了23.2%；焊缝轴向拉应力也由450 MPa降低到370 MPa。焊后热处理对残余应力分布影响不大，但能使焊接接头的应力变得更为均匀。     

深水脐带缆终端承载能力计算研究

脐带缆终端是水下脐带缆关键的硬件设备，其在深海环境承受载荷复杂恶劣，对连接系统的可靠性要求很高。以南海某气田使用深水脐带缆终端为研究对象，针对现场测试发现的屈服强度不足问题，依据ASME相关标准，对脐带缆终端关键连接部件按弹-塑性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析，得到其在极限工况下的弯矩能力、轴向能力和剪切能力。分析结果表明：深水脐带缆终端连接系统在复杂环境载荷下整体结构安全可靠，满足全局弹-塑性失效评估的标准；结合理论计算深水脐带缆终端连接系统局部塑性变形大小均小于许用值，满足局部弹-塑性失效的要求；材料屈服强度越高，承载能力越好，通过工程实践选用较为保守的方案，海上施工作业和水下连接过程中表现优异。研究成果可为脐带缆终端设计和现场工程应用提供理论基础和技术参考。     

具有塑性各向异性的高强度UOE钢管成型与屈曲仿真

UOE钢管成型应变和防腐涂层加热时的应变时效造成管线钢管的塑性具有各向异性,并且钢管纵向和周向的加工硬化系数不同。但是,塑性各向异性对于钢管工艺性能的影响目前尚未有明确的定论。采用两个能够分别代表塑性滞后和正交各向异性的不同屈服函数,建立了UOE钢管成型和弯曲的数学仿真模型。研究表明,成型模型引入了与材料强度和装备设计指标相对应的操作方案可以弥补下压能力的欠缺;弯曲模型说明应力－应变曲线上屈服点的伸长降低了钢管周向与纵向的屈曲极限,其降低程度取决于钢管的规格和内压。     

屈服强度对膨胀管残余应力分布的影响

为了获得膨胀管膨胀后的残余应力分布,应用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟膨胀管膨胀过程.膨胀管材料采用双线性随动硬化模型,改变材料的屈服强度,得到了残余应力随屈服强度的变化趋势,为膨胀管材料的选取、过大残余应力的预防和消除等工作提供了依据;改用应变率相关的材料模型,验证了应变率效应对残余应力的影响,对膨胀管材料...     

复合载荷作用下连续油管椭圆度变化规律研究

连续油管缠绕在滚筒上时,由于弯曲、内压及轴向拉伸等复合载荷作用,会产生直径增长、截面椭圆化等现象。采用ANSYS软件建立连续油管完全缠绕在滚筒上的三维有限元模型。在内压和轴向载荷作用下,对其绕弯状态进行了变形分析,得到了完全缠绕状态的连续油管截面塑性区分布。分析了内压及轴向载荷对连续油管直径变化率和椭圆度的影响。结果表明:内压是缠绕在滚筒上的连续油管直径增长的主要因素;当内压达到一定值时,椭圆度趋于稳定。     

J55膨胀套管抗挤毁强度的计算与模拟

研究了J55膨胀管的壁厚误差、椭圆度、残余应力对其抗挤强度的影响。并利用ANSYS有限元对J55膨胀管实际抗挤毁过程进行了仿真模拟,结果表明:壁厚的减小降低抗挤强度,壁厚的增加提高抗挤强度。随着椭圆度的增加,套管抗挤强度不断地减小。轴向残余拉应力使套管的抗挤强度明显降低,径向残余应力对套管抗挤强度的影响基本上呈线性规律。通过理论计算结果和模拟结果的比较,验证了模拟的合理性。     

交变载荷作用下焊接接头残余应力释放机理

海洋结构物在波浪中频繁遭受周期性交变载荷的作用,容易引起焊缝周围高应力区域发生应力释放。采用数值模拟方法对结构焊接过程进行仿真计算,得到焊接残余应力分布情况。研究交变载荷作用下垂直和平行于焊缝方向残余应力的变化特点,讨论载荷幅值和应力比等因素对应力释放的影响规律。结果表明,应力释放程度与高应力区域塑性应变量有关,载荷幅值越大、应力比越接近-1更易使结构产生新的塑性应变,应力释放现象也越明显。     

铁素体/贝氏体双相钢循环载荷作用下变形行为的模拟研究

为了避免铁素体/贝氏体双相钢管线管在服役过程中的交变载荷作用下引起的塑性损伤，采用有限元模拟方法，建立了Chaboche随动强化模型，研究了铁素体/贝氏体双相钢在循环应变载荷作用下的变形行为。结果显示，在循环应变作用下，应变优先在铁素体中形成累积，并在铁素体、贝氏体界面集中；随应变幅的增大，应变带在铁素体中形成，而贝氏体内累积应变增加不大，两相界面应变差增大。研究表明，铁素体内应变和两相应变差的增加将降低双相钢的塑性变形能力。     

焊后热处理消除管道环缝焊接残余应力的有限元模拟

以ABAQUS模拟软件为基础,创建管道环缝二维轴对称有限元模型,利用完全耦合方式计算了304不锈钢管焊接过程中的温度场和残余应力场,并在焊接完成后的残余应力场的基础上进行了焊后热处理工艺过程的有限元模拟。结果表明:二维轴对称模型能够有效地模拟304不锈钢管焊接热力耦合机制,相较于三维模型单元数目更少,节省大量计算时间;热处理后的残余应力场与热处理前相比,厚度方向残余应力降低,环向和纵向残余应力没有降低,但应力集中位置明显减少,应力分布较为平缓;焊后热处理过程中的塑性应变和高温蠕变是残余应力消除的力学机制,其中塑性应变起主要作用。     

连续管伸长量分析

连续管在作业过程中因受残余应力等多种因素的作用,容易发生塑性变形伸长。在分析连续管残余应力的形成及塑性伸长原理的基础上,重点讨论了轴向载荷引起的伸长、热伸长、内外压差引起的伸长及螺旋弯曲引起的缩短等4种变形问题,研究了相应的理论计算公式和计算方法,并通过实例计算绘制关系曲线,阐明了连续管变形伸长的基本特点:连续管在起下作业中的塑性变形伸长比常规油管复杂,其变形伸长量比较明显;连续管轴向伸长量和螺旋屈曲缩短量都比较大,在作业中应重点考虑;热伸长和内外压差引起的伸长比较小,在作业中可不作为重点考虑;在实际作业中连续管总的变形伸长量是上述4种变形的不同组合,由于伸长与缩短相互抵消,故总的变形伸长量并不大。     

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。     

基于卷管铺设的管道椭圆度损伤参数研究

卷管铺设过程中管道会发生数次弯曲,产生往复的塑性变形,导致管道产生很大的截面椭圆度损伤,大大降低管道的屈服承载能力。基于有限元软件ABAQUS中的Standard模块建立了管道的上卷和退卷模型,模拟了卷管铺设中管道的上卷-退卷-校准和校直过程,研究了卷管铺设时无缺陷管道的外径、厚径比和钢材级别对管道椭圆度损伤的影响。研究结果表明,当厚径比相同时,管道外径越大,管道的椭圆度损伤越大;当管径相同时,管道厚径比越大,管道的椭圆度损伤越大;钢材级别对管道椭圆度损伤影响很小。研究结果可为卷管式铺管法的现场应用提供参考。     

大变形管线钢管应变时效硬化研究

高强度管线钢管（X80级及以上钢级）加热并保温一段时间后,钢管力学性能将发生变化（应变时效）,通常屈服强度、屈强比升高,屈服点延伸,应力－应变曲线形状改变等,这些性能变化对于钢管应变能力会产生不利的影响。通过对日本JFE公司提供的X80级、Φ1219mm×22mm抗大应变钢管实物的试验检测、研究,分析了对性能有影响的加热温度和保温时间以及应变时效对材料性能的影响规律,为西气东输二线管道工程应用此类钢管提供了依据。     

SUS304不锈钢管对接焊缝的残余应力及变形的数值模拟

基于ABAQUS软件平台,利用所开发的热弹塑性非线性有限元计算方法对SUS304不锈钢管焊接残余应力和变形进行模拟。通过建立和试样尺寸一致的三维有限元模型和等密度移动热源模型对温度场进行了计算,并通过顺序耦合方法对应力变形场进行了模拟计算。结果表明,数值模拟计算得到的熔池形貌和试验结果吻合良好,验证了该计算方法的有效性;钢管内壁和外壁的轴向残余应力随角度的变化改变不大,而环向残余应力则对角度的变化比较敏感,并且整个工件在轴向和环向都产生收缩变形。     

1Cr18Ni9Ti钢管多层对焊残余应力分布的研究

建立了奥氏体不锈钢圆管多层对焊残余应力的数值计算模型，该模型考虑了焊接过程中高温引起材料的物理性能常数和力学性能常数变化带来的非线性。焊接温度场采用三角差分法计算，在此基础上利用热弹塑性有限单元法计算分析了1Cr18Ni9Ti钢管多层对焊的残余应力分布。结果表明，这种钢管多层对焊后存在很大的残余应力，尤以圆管内表面焊缝附近区域的双向拉伸残余应力最大。这一结论已被残余应力实测及应力腐蚀敏感性实验所证实，表明在正常焊接工艺条件下多层对焊1Cr18Ni9Ti钢管受焊接残余应力的影响，其抗应力腐蚀性能较差。