基于仿真模拟的未焊透缺陷管道安全评价.pdf
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1、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
2、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 incom
3、plete 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
4、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
5、 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 i
6、ncomplete 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 o
7、f 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 p
8、enetration;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
9、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
10、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/T47013.2一20
11、15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
12、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
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