CN107607376A - 用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气输送工程技术领域，具体涉及一种用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，包括以下步骤：1)采集热挤压三通的几何尺寸参数；2)选择缺陷位置：分析热挤压三通的失效模式，结合有限元建模及应力分析结果，在热挤压三通的强度薄弱区域内选择缺陷位置；3)在步骤2)中选择的缺陷位置处制作缺陷。本发明依据压力容器安全评估中的“最弱环节”原则，总结验证试验和有限元分析结果，分析热挤压三通的失效模式，准确定位热挤压三通的“最弱环节”为制造工艺的薄弱部位和管系载荷的集中部位。在相应部位制作表面缺陷，可以有效地评估缺陷对三通极限承载能力的影响。

Description

用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法

技术领域

本发明属于油气输送工程技术领域，具体涉及一种用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法。

背景技术

三通属于压力容器范畴，是油气输送管道的重要组成部分，能够改变管道输送方向，进行管道分支、实现特殊连接等作用，三通的合理性设计和完整性是保证管道安全不可缺少的内容。迄今为止，国内外几乎所有关于压力容器安全评估的技术方法和标准，都是按照“最弱环节”原则寻找“最不安全的那一个缺陷”来评估承压设备的安全性。在设计时考虑脆断问题，制定出“防脆断设计”规范；针对在役压力容器的缺陷做“缺陷评定”。

针对含缺陷压力管道的安全评估，近年来国内外的研究多用于管线钢管，很少涉及三通。虽然与管线钢管相关的含缺陷压力容器、压力管道安全评估技术在原则上也适用于三通，但如果全部照搬可能会遇到一些困难，这是因为与管线钢管相比，三通还具有以下特点：1)几何尺寸更加复杂，属于大开孔结构，目前各生产厂家制造时多依赖于经验，不同厂家、不同生产工艺以及按不同的模具生产的同规格热挤压成型三通各部位几何尺寸并不完全相同，尤其是壁厚和主支管过渡处的曲率半径，而这两个参数对管件的强度均有较大影响。2)制造工艺更加复杂，目前，我国使用的大口径高强度油气输送管道用三通通常采用热挤压成形工艺方法制造，热挤压三通的制造是根据金属塑性变形原理，将材料加热到奥氏体状态，使管坯金属在模腔内产生塑性流动而成，其毛坯管需要经历压扁、反复热鼓包、开孔、拉拔成型和热处理等多道工序。3)承压载荷更加复杂，三通用于管道改向，是管系载荷的集中部位，因而其不仅承受内压，还往往受到弯矩、扭矩、轴向力的作用。4)服役过程中更容易发生泄漏破裂等事故。由于流体冲刷、介质腐蚀以及疲劳载荷作用，使得三通上更容易发生腐蚀凹坑、局部减薄和疲劳裂纹等缺陷。另外，在少有的含缺陷三通的极限载荷研究中，国内外的研究也多是针对焊接三通，是采用以试验手段为基础的有限元分析法，或者保守地采用等效厚度的观点进行分析，即以缺陷处韧带的厚度为等效厚度，参考无缺陷三通的分析方法计算其极限载荷。

随着三通设计压力的增大，其壁厚也相应增大。目前我国使用的大口径高强度油气输送管道用三通通常采用热挤压成形工艺方法制造，热挤压三通管成形时，管坯金属保持连续流畅状态，支管的金属纤维只弯曲而没被剪断，整体强度高，由于管坯材料的一体化成形以及相贯线处的高应力区没有焊缝，从而消除了焊接三通可能带来的隐患。热挤压三通无缺陷极限承载能力是以静水压爆破验证试验方法获得，而热挤压三通的含缺陷极限承载能力却受制于结构复杂，结构参量甚多(主管直径及壁厚，主管最小肩部壁厚，支管高度、直径及壁厚，曲率半径等)，载荷也相当复杂(内压、面外弯矩、面内弯矩、扭矩及轴向力等)。因此，传统的针对含缺陷焊接三通的极限载荷测试方法无法适用于热挤压三通的含缺陷极限承载能力测试。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法。

本发明的技术解决方案是：一种用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)采集热挤压三通的几何尺寸参数；

2)选择缺陷位置：分析热挤压三通的失效模式，结合有限元建模及应力分析结果，在热挤压三通的强度薄弱区域内选择缺陷位置；

3)在步骤2)中选择的缺陷位置处制作缺陷。

进一步地，步骤1)中的几何尺寸参数包括主管和支管的直径以及管壁厚度。

进一步地，步骤2)中选择的缺陷位置位于相贯区内，所述相贯区为主管和支管的相交过渡区域。

进一步地，以主管的中心线和支管的中心线所构成的平面作为纵向平面，所述相贯区与纵向平面的两个交点区域为肩部；在两个肩部所在的支管圆周内，步骤2)中选择的缺陷位置位于距离肩部为30°以及90°的相贯区位置。

进一步地，步骤3)中所制作的缺陷是位于热挤压三通表面的半椭圆形的裂纹缺陷。

进一步地，上述裂纹缺陷的长度方向垂直于主应力方向。

进一步地，上述裂纹缺陷的深度为主管管壁厚度的四分之一，所述裂纹缺陷的长度为裂纹缺陷深度的六倍。

本发明的有益效果在于：本发明依据压力容器安全评估中的“最弱环节”原则，总结验证试验和有限元分析结果，分析热挤压三通的失效模式，准确定位热挤压三通的“最弱环节”为制造工艺的薄弱部位和管系载荷的集中部位。在相应部位制作表面缺陷，可以有效地评估缺陷对三通极限承载能力的影响。该方法操作简单，结果可靠，成功填补了该领域空白，为管道工程设计、安全运行提供了重要保障。

附图说明

图1为热挤压三通的结构示意图。

图2为缺陷位置示意图(正面视图)。

图3为缺陷位置示意图(主管轴向视图)。

图4为缺陷方向示意图。

图5为静水压爆破验证试验中的应变片布置示意图。

图6为测试点应变分布结果。

图7为有限元模拟验证结果。

其中，附图标记为：1-主管，2-支管，3-肩部，4-腹部，5-底部，6-相贯区，7-缺陷，8-主应力方向，9-应变片。

具体实施方式

参见图1，热挤压三通主要由主管1和支管2构成，主管1和支管2的相交过渡区域为相贯区6。以主管1的中心线和支管2的中心线所构成的平面作为纵向平面，纵向平面与相贯区6的交点区域为肩部3，横向平面与相贯线的交点附近区域为腹部4，纵向平面与主管1相交的下部交线附近区域为底部5。在热挤压三通表面制作缺陷的方法包括以下步骤：

1)采集热挤压三通的几何尺寸参数，主要包括主管1和支管2的直径以及管壁厚度；

2)选择缺陷位置：分析热挤压三通的失效模式，结合有限元建模及应力分析结果，在热挤压三通的强度薄弱区域内选择缺陷位置。如图2和图3所示，所选择的缺陷位置位于距离肩部为30°以及90°的相贯区位置；

3)在步骤2)中选择的缺陷位置处制作缺陷，如图4所示，缺陷7是位于热挤压三通表面的半椭圆形的裂纹缺陷，裂纹缺陷的长度方向垂直于主应力方向8。较佳的，裂纹缺陷的深度为主管管壁厚度的四分之一，裂纹缺陷的长度为裂纹缺陷深度的六倍。

下面以两件设计压力为12MPa的DN1200×1200×900mm 45mm X80热挤压等径三通为例进行说明。

其中一件为无缺陷三通，采用图5所示应变片布置方法进行静水压爆破验证试验过程中的应变测试，当内压为42.25MPa时该三通各测试点应变分布结果如图6所示，腹部中心位置(即距离肩部中心90°的相贯区位置)和距离肩部中心30°的相贯区位置位应变最大处。同时采用有限元进行模拟验证，结果见图7，三通内表面e_EQV云图显示的结果与试验结果一致，由此可验证热挤压三通的“最弱环节”在腹部中心位置和距离肩部中心30°的相贯区位置。

另一件为采用本发明方法制作的含缺陷三通，在三通的距离肩部中心30°的相贯区位置位制作半椭圆形表面裂纹缺陷，该参考裂纹深度为11mm，长为66mm，所制裂纹长度方向垂直于三通主应力方向。该规格无缺陷三通和含裂纹缺陷三通的极限承载能力研究的前期试制三通爆破试验结果见表1，采用本发明更能有效地评估缺陷对三通极限承载能力的影响，便于操作，结果可靠。

表1本实施例三通爆破试验结果

Claims (7)

1.一种用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集热挤压三通的几何尺寸参数；

2)选择缺陷位置：分析热挤压三通的失效模式，结合有限元建模及应力分析结果，在热挤压三通的强度薄弱区域内选择缺陷位置；

3)在步骤2)中选择的缺陷位置处制作缺陷。

2.根据权利要求1所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：步骤1)中的几何尺寸参数包括主管和支管的直径以及管壁厚度。

3.根据权利要求1或2所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：步骤2)中选择的缺陷位置位于相贯区内，所述相贯区为主管和支管的相交过渡区域。

4.根据权利要求3所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：以主管的中心线和支管的中心线所构成的平面作为纵向平面，所述相贯区与纵向平面的两个交点区域为肩部；在两个肩部所在的支管圆周内，步骤2)中选择的缺陷位置位于距离肩部为30°以及90°的相贯区位置。

5.根据权利要求1或2所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：步骤3)中所制作的缺陷是位于热挤压三通表面的半椭圆形的裂纹缺陷。

6.根据权利要求5所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：所述裂纹缺陷的长度方向垂直于主应力方向。

7.根据权利要求6所述的用于含缺陷热挤压三通极限载荷测试的缺陷制作方法，其特征在于：所述裂纹缺陷的深度为主管管壁厚度的四分之一，所述裂纹缺陷的长度为裂纹缺陷深度的六倍。