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燃气管线在役抢修热过程分析与温度场控制

作　者: 李艳红
导　师: 王立君
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 管道修复在役焊接热循环数值模拟
分类号: TU996.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

燃气管道在长期服役过程中,由于管材原因或外界因素影响,常常出现管壁减薄、腐蚀穿孔等问题,从而引起燃气泄漏及管道破坏,因此必须对管道减薄或损坏部位进行加固和修复。运行管道在役焊接修复技术以其方便快捷、环保经济、社会效益大等优点已经成为当前管道修复的主要方式。然而,由于在役焊接时管内高压快速流动的燃气介质会带走焊缝区大量的热量,因此在役焊接的工艺参数较难制定,且焊缝容易发生烧穿和氢致开裂。通过数值模拟技术对在役焊接温度场进行计算,研究燃气流动、焊接线能量对接头热循环的影响规律,从而为抢修工艺参数的制定和改善提供指导,为预测烧穿及氢致开裂提供依据。本文针对L360管线钢局部燃气泄露补板在役焊接修复问题,基于焊接热过程传热基本原理,充分考虑材料性能随温度的变化关系,深入分析管内燃气与管壁的换热特点,利用有限元ANSYS软件建立补板在役焊接有限元模型,对四组焊接工艺规范进行数值模拟,获得了多道焊接的温度场及热循环曲线,并且研究分析了管内压力、燃气流速及焊接线能量对管道内壁最高温度分布的影响。本文通过数值模拟获得以下研究结论:(1)采用文中四组焊接工艺规范进行焊接时,管道内壁的最高温度在280~600℃范围内,低于美国BMI研究所提出的980℃,这说明抢修焊接时管壁不会发生烧穿现象;(2)随着管道内压的升高及燃气流速的增大,管道内壁对流换热系数增大,从而使热影响区冷却速度加快,管道内壁最高温度降低;(3)相同工艺参数及燃气流动特性下,在役间断焊可使管道内壁最高温度明显降低,这有利于控制内壁最高温度避免发生烧穿。通过模拟计算可知,在本文所研究的工艺参数及燃气流动条件下进行在役焊接抢修时,管道内表面最高温度低于BMI研究所提出的980℃,管壁不会发生烧穿。所以,本文的管道泄压及流速控制合理、四组工艺规范均可行。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-16
  1.1 选题依据  7-8
  1.2 国内外油气管线发展现状  8-9
  1.3 油气管线的失效与修复  9-10
    1.3.1 油气管线的失效原因  9
    1.3.2 油气管线的修复技术  9-10
  1.4 油气管线在役焊接修复技术  10-14
    1.4.1 在役焊接修复的现状及发展  10-11
    1.4.2 在役焊接修复的特点  11-12
    1.4.3 在役焊接修复的主要问题  12-14
  1.5 在役焊接修复的数值模拟  14-15
  1.6 本文的研究目的和主要内容  15-16
    1.6.1 本文的研究目的  15
    1.6.2 本文的主要内容  15-16
第二章在役焊接热过程的有限元分析理论  16-23
  2.1 焊接热过程有限元分析  16-17
    2.1.1 焊接热过程的特点  16
    2.1.2 焊接过程有限元分析特点  16-17
  2.2 焊接传热基本规律  17-18
    2.2.1 热传导规律  17
    2.2.2 对流换热规律  17-18
    2.2.3 辐射换热规律  18
  2.3 焊接热过程基本方程  18-20
  2.4 焊接热源模型  20-22
    2.4.1 Rosenthal 解析模式  20-21
    2.4.2 高斯热源模型  21-22
    2.4.3 双椭球热源模型  22
  2.5 本章小结  22-23
第三章燃气管线在役抢修焊接的有限元模型  23-34
  3.1 多道焊接有限元模型  23-28
    3.1.1 单元类型  23-24
    3.1.2 材料热物理参数  24-26
    3.1.3 多道焊接实体建模  26-27
    3.1.4 多道焊接有限元网格划分  27-28
  3.2 多道焊接热载荷的施加  28-29
  3.3 在役多道焊接对流边界条件的确定  29-33
    3.3.1 管道外壁与空气间换热系数的确定  29-30
    3.3.2 管道内壁与燃气介质间换热系数的确定  30-33
  3.4 在役多道焊时间步长的设置  33
  3.5 本章小结  33-34
第四章燃气管线在役抢修的焊接热过程分析与温度场控制  34-50
  4.1 抢修多道焊工艺参数  34-35
  4.2 多道焊接温度场计算  35-40
    4.2.1 多道焊接温度场的分布  35-38
    4.2.2 多道焊接热循环曲线  38-40
  4.3 燃气介质对在役多道焊热循环的影响  40-45
    4.3.1 燃气流速对在役多道焊接热循环的影响  40-43
    4.3.2 燃气压强对在役多道焊接热循环的影响  43-45
  4.4 焊接线能量对在役多道焊热循环的影响  45-48
  4.5 本章模拟结果的验证  48-49
  4.6 本章小结  49-50
第五章结论与展望  50-52
  5.1 本文结论  50-51
  5.2 研究展望  51-52
参考文献  52-55
发表论文和科研情况  55-56
致谢  56

燃气管线在役抢修热过程分析与温度场控制

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