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城市高压燃气管道在役焊接结构行为研究

作　者: 杨康
导　师: 王立君
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 燃气管道 在役焊接 有限元模拟 烧穿 应力场
分类号: TU996.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


城镇高压燃气管道在长期的运行过程中，由于环境或人为的原因，管壁局部减薄或损坏，需要修复与加固。管线的在役焊接修复技术是一种直接在运行的管线上进行焊接的修复技术，可保持燃气供应的持续性，修复速度快、时间短、效率高，无污染，具有极大的经济效益、社会效益和市场应用前景。然而在役焊接时由于管线内部的高速流动的高压燃气，一旦发生烧穿，将会造成燃气爆炸，威胁焊接工作人员的安全。有限元可以有效地模拟管道的在役焊接修复过程，这对控制烧穿及焊后的残余应力有实际的理论指导意义。本文采用ANSYS有限元模拟软件，对Q345B管线钢的城市燃气管线进行在役焊接模拟，分析了其在多种工况下的瞬态温度场、瞬态应力场及焊后残余应力场，并结合内壁温度和瞬态应力场分析了其烧穿的可能性，并分别探讨了管道内部燃气压强和燃气流速对温度场及其应力场的影响。在本文制定的焊接工艺参数下，得出了以下结论：1)分析了燃气内压为4MPa，燃气流速为20m/s工况下，内壁最高温度为322℃，此值低于BMI研究所提出的管道不烧穿的内壁最高温度982℃。2)管道内部燃气压强和流速影响内壁表面的最高温度。结果表明，随着燃气压强（或流速）的增大，内壁的最高温度降低。3)分析了燃气内压为4MPa，流速为20m/s工况下，管道内壁表面的瞬态和残余应力场分布。结合焊接温度场分析得出的管道内壁表面节点温度及相应时刻的瞬态等效应力值（接近所处温度下屈服应力），可知在此情况下进行在役焊接相对较为安全。等效残余应力值也在屈服应力值附近（常温下），表明焊后构件存在局部塑性变形。4)管道内部燃气压强和燃气流速影响管道内壁表面的应力分布。结果表明：随着燃气压强的升高，内壁表面焊缝下方的环向应力降低，轴向应力则升高；随着燃气流速的增加，焊缝下方的内壁表面处的环向应力降低，轴向应力增大。焊缝附近金属高温时的压缩和冷却过程中的收缩受限是管道内壁表面瞬态应力和残余应力产生的主要原因。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-15
  1.1 课题来源及选题依据  8-9
  1.2 管线的在役焊接修复技术  9-11
    1.2.1 在役焊接技术的研究进展  9-10
    1.2.2 在役焊接技术的方式和特点  10-11
    1.2.3 在役焊接技术目前存在的问题  11
  1.3 有限元模拟在在焊接中的应用及发展  11-14
    1.3.1 有限元法在焊接中的应用  12-13
    1.3.2 在役焊接有限元分析的发展  13-14
  1.4 本文的研究目的和主要内容  14-15
第二章 焊接有限元模拟的基本理论  15-24
  2.1 焊接传热的基本规律  15-17
    2.1.1 热传导规律  15-16
    2.1.2 对流换热规律  16
    2.1.3 辐射换热规律  16-17
  2.2 焊接热源模型  17-19
    2.2.1 高斯分布热源模型  17-18
    2.2.2 双椭球热源模型  18
    2.2.3 均匀热源模型  18
    2.2.4 组合热源模型  18-19
  2.3 焊接力学行为的数值模型  19-23
    2.3.1 屈服准则  19-20
    2.3.2 流动准则  20
    2.3.3 强化准则  20-21
    2.3.4 热弹塑性理论  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章 套管角焊缝在役焊接温度场和与应力场的模拟  24-35
  3.1 ANSYS 热-力耦合的分析方法与步骤  24-26
    3.1.1 耦合方法  24-25
    3.1.2 顺序耦合分析步骤  25-26
  3.2 几何模型的建立  26
  3.3 套管在役焊接的温度场  26-31
    3.3.1 材料的热物理特性  26-28
    3.3.2 单元类型  28
    3.3.3 模型网格划分  28-29
    3.3.4 焊接热载荷的施加  29-31
  3.4 套管角焊缝在役焊接的应力场  31-34
    3.4.1 计算模型前处理  31-33
    3.4.2 计算边界条件  33-34
    3.4.3 计算求解与结果后处理  34
  3.5 本章小结  34-35
第四章 套管角焊缝在役焊接的计算结果与分析  35-56
  4.1 在役焊接温度场分析  35-43
    4.1.1 焊接工艺参数  35
    4.1.2 温度场计算结果  35-41
    4.1.3 燃气压力对管道内壁表面温度的影响  41-42
    4.1.4 燃气流速对管道内壁表面温度的影响  42-43
  4.2 在役焊接应力场分析  43-55
    4.2.1 应力场分析载荷施加  44
    4.2.2 应力场计算结果  44-49
    4.2.3 燃气压力对管道内壁表面应力的影响  49-52
    4.2.4 燃气流速对管道内壁表面应力的影响  52-55
  4.3 本章小结  55-56
第五章 结论与展望  56-58
  5.1 结论  56-57
  5.2 展望  57-58
参考文献  58-61
发表论文和参加科研情况说明  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 市政工程 > 城市燃气供应 > 燃气管道及设备
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