海底管道焊接接头疲劳寿命仿真分析,该文是关于管道焊接相关专科毕业论文范文与焊接接头和海底和寿命方面硕士学位论文范文.
管道焊接论文参考文献：
吴振宇1徐永昌2刘军2王立权2
（1.哈尔滨电气股份有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028；
2.哈尔滨工程大学,黑龙江 哈尔滨 150001）
摘 要：文章结合《管道及有关设施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威标准《海洋管道系统》（DNV-OS-F101）,运用有限元法分析了焊接坡口角度大小对焊接接头疲劳寿命的影响,并获得较佳的焊接坡口角度,为以后焊接工艺提供参考,最后运用Miner损伤定则对管道使用寿命进行了计算,验证焊接工艺的可行性.
关键词：海底管道；X80钢；交变载荷；焊接接头；疲劳寿命；有限元文献标识码：A
中图分类号：TE973文章编号：1009-2374（2016）05-0077-03DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.039
随着能源工业以及海洋勘探、开采的迅速发展,资源开发从陆地转移到海洋,并且从常规水深（小于500m）向深水（500～1500m）乃至更深层的水域（大于1500m）发展,深层次的海洋开发正逐步成为世界石油工业的主要增长点和竞争点.海底管道是海上石油运输的主要方式之一,由于海底管道所处环境非常复杂,会受到多种载荷的作用,其中输油载荷海底管道承受的主要载荷,这些载荷对管道的寿命以及海油工程的安全性具有重要影响.在海油工程中受市场供需以及输油技术造成的启停等原因,管道的输油压力会发生周期性的波动,对管道产生周期性的交变应力.在此交变载荷的作用下,管道由于工艺等原因造成的原始缺裂纹会发生疲劳扩展,最终引发管道的疲劳断裂.焊接是海底管道接头常用的连接方式,焊接部位由于焊接工艺以及材料上的缺陷,是管道结构中最容易发生破坏的薄弱环节.在受到油液的交变载荷时常会发生疲劳失效,因此对焊缝疲劳寿命分析是预防疲劳损坏和疲劳失效故障的首要前提,而焊接坡口角度的大小是焊接工艺中很重要的参数,本文采用有限元的方法进行焊接坡口角度对焊缝疲劳寿命的影响研究.
1管道选取及载荷分析
1.1管道载荷分析
海底管道在输油过程中会受多种载荷的作用,主要受管道的内压和外压.本文对双层管疲劳寿命进行研究,故只考虑内压,且暂不考虑管道受到的其他载荷和温度影响.管道的疲劳失效通常是由管道受到的各种交变应力引起的,用R表示交变应力变化程度,R等于输油压力最小值与最大值之比,根据输油实际情况在0.1～0.6之间.当交R接近于0.1时,相当于多次启停供油或反复进行压力试验等情况；当R接近于0.6时,相当于在正常输油过程中油压发生压力波动的情况.在对管道进行疲劳分析时,必须综合考虑这两种工况,以使分析结果更接近实际情况.
实际管道的额定输油压力为34.5MPa,取管道输油最大压力为34.5MPa.管道输油过程中由压力波动引起的应力循环峰值,选取为输油压力为34.5MPa时所产生的应力.
1.2管道参数选取
考虑到油田水下采油环境及管道受载情况,并对美国标准《管道及有关设施的焊接》（API 1104-2001）以及挪威标准《海洋管道系统》（DNV-OS-F101）相关技术标准进行考核,采用API X80焊接管线.根据AIP 1104标准规定的焊接材料与母材高强匹配的原则,选择了与母材强度相匹配的焊接材料.根焊焊条采用日本产LB-52U低氢型焊条（符合AWS A5.1 E7016）.
填充、盖面焊选用的焊丝为HOBART FABSHIELD X80（符合AWS A5.29 E81T8-Ni2J）.此型号焊丝具有较强的抗低温冲击性能.根据API Spec 5L规定的X80管线钢力学性能如表1所示：
1.3焊材选取
根焊焊条采用日本产LB-52U低氢型焊条（符合AWS A5.1 E7016）.
填充、盖面焊选用的焊丝为HOBART FABSHIELD X80（符合AWS A5.29 E81T8-Ni2J）.
2有限元模型建立与计算
2.1有限元模型建立
采用V型坡口进行焊接,由于X80钢的壁厚一般都比较大,所以在考虑坡口角度时,取的数值比较小,为40°～50°.分别取坡口角40°、50°、60°进行建模与分析.
运用ANSYA软件建立整个管道及焊缝的有限元网格模型,对管道采用六面体单元划分网格,对焊缝采用四面体单元划分网格,在边界处进行网格单元节点的连接.
管道及焊材具有好的韧性,故采用Gerber理论对其进行拟合与分析.
焊接接头及管道要进行磨平处理,表面较光滑,应力集中相对较小,根据取疲劳强度因子1.5进行分析.
2.2有限元结果分析
2.2.1交变载荷下的焊缝应力分析结果.
图1中从左到右依次为焊缝坡口为40°、50°、60°时的焊缝及管道应力云图.受有限元建模时模型固定位置选取的影响,会在管道两端面出现应力较大的现象,但实际并非如此,且这样建模对焊缝应力计算影响较小,故忽略靠近管道两端的应力.
焊接接头最大应力发生在焊材与母材接触的熔融区,发生位置受坡口角度影响较小,但坡口角度对焊缝处应力值影响较大,当坡口角度为60°时应力最大,应力值约200MPa；坡口角度为50°时应力最小,应力值约为149MPa.
2.2.2疲劳寿命分析结果.当管道内油液脉动压力比为R＝0.6时,焊接接头寿命分析结果：
图2为交变应力比R＝0.6情况下,从左到右依次为坡口角度为40°、50°、60°时的焊缝及管道疲劳寿命云图.
在应力比R＝0.6时,当坡口角度为60°时疲劳损伤最大,循环次数达到89059次时发生疲劳失效.当坡口角度为50°时疲劳损伤最小,循环次数达到189410次时发生疲劳失效.可知焊缝坡口角度过大或过小都会加速疲劳断裂发生.
当管道内油液脉动压力比R＝0.1时,焊接接头寿命分析结果如下：
图3为交变应力比R＝0.1情况下,从左到右依次为坡口角度为40°、50°、60°时的焊缝及管道疲劳寿命云图.
在应力比R＝0.1时,当坡口角度为60°时疲劳损伤最大,循环次数达到62781次时发生疲劳失效.当坡口角度为50°时疲劳损伤最小,循环次数达到134040次时发生疲劳失效.可得焊缝坡口角度过大或过小都会加速疲劳断裂的发生.
通过两种工况下的疲劳寿命分析,知在应力比R较小时更易发生疲劳失效.
3管道寿命分析
运用Miner损伤定则对管道疲劳寿命进行计算.
Miner损伤定则：若构件在给定循环应力作用下的疲劳断裂总寿命为,则在此循环应力下循环1次,其寿命要缩短,1次应力循环所产生的损伤D定义为D＝.显然,若零件在此循环应力下循环次,则损伤D＝1,零件发生疲劳断裂.对海底X80焊管焊接接头进行疲劳寿命分析时,应采用Miner线性累积损伤定则.Miner线性损伤定则公式如下：
式中：D为结构断裂是发生的总损伤,N1、N2为结构在应力σ1、σ2下发生断裂时的总寿命循环次数.n1、n2为材料在σ1、σ2下的循环次数.
根据深海管道输送油液的实际情况,油液输送过程发生压力波动（即应力比R＝0.6）每年疲劳寿命循环周次为1000次,由于管道维修或其他原因发生的输油启停（应力比R＝0.1）每年疲劳寿命循环周次为50次,由于实际焊接过程有一定的随机性,为安全考虑,在进行疲劳寿命预测时取安全系数为6,根据上述条件对管道焊接接头综合疲劳寿命进行计算.根据公式可计算得管道焊接接头使用年限如表4所示：
根据海底管道使用年限要求为20年,采用以上焊接工艺焊接时均能满足工程设计要求,但采用坡口角50°焊接工艺焊接能使用更长年限.
4结语
（1）在两种工况下,焊缝坡口角大小对接头的使用寿命影响大致相同,坡口角度过大或过小都会加速焊接结构的疲劳断裂,当坡口角度为60°时疲劳损伤最大；当坡口角度为50°时疲劳损伤最小,且在应力比R较小时更易发生疲劳,这对以后海底管道的焊接工艺具有一定的指导意义；（2）海油输送过程中压力波动对管道的疲劳寿命有显著的影响.在实际输油过程中应尽量减少油压的波动,更应减小油压的波动幅度；（3）基于X80焊管焊接接头材料力学性能和管道载荷谱,通过ANSYS软件进行有限元分析,并按照Miner累积损伤定则,估算了海底管道焊缝的疲劳寿命.在R值为0.1和0.6两种工况下,焊接接头的疲劳寿命均超过20年,满足海底管道设计寿命要求.
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基金项目：十二五国家科技重大专项：荔湾3-1及周边气田水下管道回接技术及配套装备应用研究（课题编号：2011ZX05056-002-03）.
（责任编辑：黄银芳）
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