The problems of aging and corrosion have severely restricted the safety production of natural gas pipelines. It is imminent to research and improve the safety repair technology of pipelines. In-service welding has the advantages of high efficiency and low environmental pollution. Burn-through is the first problem to be solved. In-service welding is influenced by pipeline structure, welding parameters, and medium pressure, which is a high-temperature failure process under the coupling of structure field, temperature field and stress field. This project explores the multi-field coupling mechanism of in-service welding by building structure-thermal-force multi-field coupled constitutive model, and studying the relationship of multi-field coupling. The mechanism of burn-through during in-service welding is studied from macroscopic-microscopic multiscale, which is based on the experiment of in-service welding, finite element simulation, molecular dynamics simulation and theoretical analysis. The residual strength of pipe wall is calculated by three-dimensional integral, and the burn-through pressure is calculated combined with high-temperature plastic failure criterion. Finally, a criterion of burn-through during in-service welding will be proposed. The study will promote the development and application of in-service welding technology, and it has important theoretical and practical value to enrich the welding theory under harsh conditions and ensure the safe delivery of natural gas.
管道的老化、腐蚀等问题,已严重制约天然气管道的安全生产,研究和提高管道的安全修复技术迫在眉睫。在役焊接具有修复时间短、速度快、对环境污染小等优点,烧穿失稳是其首先要解决的问题。在役焊接烧穿受到管道结构、焊接工艺及输送介质压力等多因素的影响,是一个结构场、温度场、应力场多场耦合作用下的高温失效过程。本项目通过建立结构-热-力多场耦合本构模型,研究在役焊接多场耦合作用关系,探究在役焊接的多场耦合作用机理;利用在役焊接烧穿失稳试验、有限元数值模拟、分子动力学模拟及理论分析相结合的方法,从宏观-细观-微观多尺度研究多场耦合作用下的在役焊接烧穿失稳;通过三维积分计算焊接区管壁剩余强度,结合高温塑性失效准则,计算在役焊接的烧穿失稳应力,建立在役焊接烧穿失稳判据。该研究将推动在役焊接技术的发展和应用,同时对于丰富严酷条件下的焊接理论,保障天然气的安全输送,具有重要的理论和实际应用价值。
长输天然气管线在役焊接修复技术具有修复时间短、速度快、对环境污染小等优点,而烧穿失稳是首先要解决的问题。目前有关在役焊接烧穿的研究均是基于宏观表象,缺乏对在役焊接损伤失效的微观机理的研究及相应的科学理论支撑。本项目通过通过三维有限元数值模拟、分子动力学微观模拟、宏观损伤演化的有限元分析及实验验证相结合的方式,研究多场耦合下的在役焊接过程,揭示了烧穿失稳机理;探讨温度、应力等对材料微缺陷萌生的影响,结合焊接热过程、介质压力等因素,研究宏观缺陷的扩展致失效过程及其影响规律;基于改进的剩余强度三维积分法及高温塑性失效准则计算失稳压力,进一步建立了科学的在役焊接失稳安全判据。这对于丰富严酷条件下的焊接理论,指导在役焊接安全修复,保障天然气安全输送,具有重要的理论和实际意义。主要结论如下:.(1)高温下晶界弱化,晶界滑移严重,微裂纹易在弱化的晶界(熔合区)以及三晶粒交界的应力集中处(粗晶区)萌生,多处微裂纹在垂直于拉应力的方向沿弱化的晶界向内壁扩展,并相互汇合形成贯穿管壁的宏观裂纹,最终导致烧穿失稳。.(2)近管道内壁区主要发生Rachinger滑移,且位错回复引起的“老化”加快了孔洞的萌生过程;完全奥氏体化区出现了动态再结晶,有效消除大量位错、空位等微缺陷,避免位错塞积及孔洞的出现;熔合区激发动态再结晶的临界应变更小,约为2.0 %,且在温度与应力应变共同作用下诱发了晶界预熔。.(3)在役焊接修复时剩余壁厚的最大损伤值位于最大熔深处后方1mm-2mm区域内,损伤值在壁厚方向上由熔合线向内壁递减,且损伤更容易在熔合线上最大熔深处后方萌生。.(4)高温塑性失效准则适用于结构因素简单、易获取最危险路径的工况。而对于耦合场环境和结构因素较复杂的工况,剩余强度三维积分法具有更大优势。
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数据更新时间:2023-05-31
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