[發明專利]一種利用矯頑力評價天然氣管道環焊縫殘余應力分布特征的方法

有效

• 申請號: 202110072196.5
• 申請日: 2021-01-20
• 公開（公告）號: CN112903162B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 李玉坤;王鄯堯;朱建平;蔣毅;馮淑路;王壘超;魯青龍;曹小建;彭啟鳳;楊進川;王龍升;李坤;程磊
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01N3/08;G01R33/14
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 陳海濱

1.一種利用矯頑力評價天然氣管道環焊縫殘余應力分布特征的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1，將矯頑力檢測裝置的探頭緊貼于天然氣管道外壁，探頭與天然氣管道外壁形成閉合磁路，開啟矯頑力檢測裝置，向探頭內通入交變電流，對天然氣管道表面的閉合磁路進行磁化，利用矯頑力檢測裝置測量天然氣管道閉合磁路的磁滯回線；

步驟2，采用與天然氣管道相同的材料制作標準拉伸試件，利用拉伸試驗機進行應力試驗，確定矯頑力與應力之間的對應關系；

步驟3，利用矯頑力檢測裝置測量天然氣管道外壁的殘余應力，繪制殘余應力變化曲線；

步驟4，根據實際天然氣管道結構，利用SYSWELD軟件建立天然氣管道的有限元模型，設置有限元模型的焊接熱力邊界條件及約束條件，采用雙橢球熱源模型模擬天然氣管道有限元模型環焊縫處殘余應力的分布情況，得到環焊縫處的殘余應力分布云圖，繪制殘余應力特征曲線；

步驟5，通過將殘余應力特征曲線與步驟3中確定的殘余應力變化曲線進行對比，驗證殘余應力特征曲線的準確性；

所述探頭為U型探頭，包括磁芯、激勵線圈和感應線圈，磁芯采用錳鋅鐵氧體制成，激勵線圈和感應線圈分別纏繞于磁芯兩側或交替纏繞于磁芯底部；

所述步驟2中，具體包括以下步驟：

步驟2.1，確定天然氣管道的制作材料，采用相同材料制作標準拉伸試件，標準拉伸試件呈圓筒狀結構，軸向中間位置處設置有環焊縫，通過對標準拉伸試件進行熱處理，消除標準拉伸試件表面的殘余應力；

步驟2.2，利用拉伸試驗機對標準拉伸試件進行拉伸，按照一定間隔增大拉伸試驗機對標準拉伸試件施加的軸向應力和周向應力，測量各軸向應力和環向應力條件下標準拉伸試件環焊縫處所受到的軸向矯頑力和環向矯頑力，當標準拉伸試件出現屈服變形時，停止對標準拉伸試件施加壓力；

步驟2.3，通過將標準拉伸試件的軸向應力值與環向矯頑力值進行擬合，再將標準拉伸試件的環向應力值與軸向矯頑力值進行擬合，確定天然氣管道制作材料所受矯頑力與應力的關系；

所述步驟3中，具體包括以下步驟：

步驟3.1，將天然氣管道環焊縫中心外壁圓周12點鐘、3點鐘、6點鐘和9點鐘位置處設置為測量點，再以天然氣管道的環焊縫為中心，沿天然氣管道軸向等間隔對稱設置多個測量位置，針對各測量位置，將天然氣管道外壁圓周12點鐘、3點鐘、6點鐘和9點鐘位置處設置為測量點，分別將矯頑力檢測裝置的探頭設置于各測量點處；

步驟3.2，利用矯頑力檢測裝置，測量得到天然氣管道外壁上各測量點的軸向矯頑力和環向矯頑力，根據天然氣管道制作材料所受矯頑力與應力的關系，確定天然氣管道外壁各測量點的環向殘余應力和軸向殘余應力，繪制殘余應力變化曲線。

2.如權利要求1所述的一種利用矯頑力評價天然氣管道環焊縫殘余應力分布特征的方法，其特征在于，所述步驟2.1中，根據GB/T 16923-2008中的熱處理步驟對標準拉伸試件進行熱處理。

3.如權利要求1所述的一種利用矯頑力評價天然氣管道環焊縫殘余應力分布特征的方法，其特征在于，所述步驟4中，雙橢球熱源模型如下所示：

Q＝ηUI (4)

式中，(x,y,z)表示有限元模型內任意點的坐標；q_f表示前半橢球體熱源模型的熱通量，單位為J·m^-2·s^-1；q_r表示后半橢球體熱源模型的熱通量，單位為J·m^-2·s^-1；f_f表示前半橢球體熱源模型的熱輸入分配系數；f_r表示后半橢球體熱源模型的熱輸入分配系數；a_f、a_r、b、c表示雙橢球熱源模型的形狀參數；Q表示有效功率，η表示電弧熱效率，U表示焊接電壓，I表示焊接電流。

4.如權利要求1所述的一種利用矯頑力評價天然氣管道環焊縫殘余應力分布特征的方法，其特征在于，所述步驟4中，有限元模型的管道長度為120mm，半徑為400mm，壁厚為16mm，根據天然氣管道焊接施工的實際工況，設置有限元模型的焊接熱力邊界條件。