摘要
经济的快速发展离不开能源的合理利用，管道作为长距离输送石油和天然气的载体，在能源运输中扮演着重要的角色。长距离油气输送管道通过焊接的方式连接在一起，焊接过程中焊件局部不均匀的热输入产生的焊接残余应力会造成焊接构件承载能力的下降，焊接管道同样存在许多焊接质量问题，影响管道的安全运行。研究管道焊接接头残余应力分布及焊接缺陷对管道承载能力的影响对指导管道焊接工艺与提高焊接质量具有重要意义。 本文首先阐述了焊接有限元分析理论，介绍了焊接残余应力形成机制。以中缅天然气管道为研究对象，基于热弹塑性有限元分析理论，建立了X80管道环焊缝有限元模型，对管道焊接接头进行了过渡网格划分；使用Fortran语言编写焊接移动双椭球热源DFLUX子程序，根据管道焊接熔池形状调试双椭球热源形状参数，基于单道多层焊接工艺选取合适的焊接电压、焊接电流、热源移动速度等参数，采用生死单元技术模拟了管道多层环焊缝焊接的动态过程。观察管道各层移动热源温度梯度分布，与设置的双椭球热源参数进行对比，最后对管道焊接接头各点热循环进行分析。 其次根据焊接温度场的计算结果，以焊接过程中管道模型节点瞬态温度值作为载荷，采用顺序耦合方法计算了管道焊接接头焊接残余应力；考虑焊后热处理对残余应力的影响，对管道进行焊后热处理，总结了热处理前后管道内外表面环向、轴向焊接残余应力分布规律。采用盲孔法对管道焊接残余应力进行测试，与数值模拟结果的进行对比，验证模拟结果的可靠性。 最后关注焊接质量缺陷问题，建立含气孔、未焊透缺陷管道有限元模型，针对焊接接头区域材料力学性能的不均匀性，采用Ramberg-Osgood本构模型分别定义焊缝、热影响区和母材的材料参数；考虑气孔缺陷直径与位置因素及未焊透缺陷环向长度和深度因素的影响，基于塑性失效准则，对内压、弯矩载荷下的管道承载能力进行研究，提出了含焊接缺陷管道极限承载力预测公式。
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