CN109759737B - 含气孔缺陷的gil铝合金焊接管道安全评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，先对气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔；再建立管道的有限元管道模型；对有限元管道模型进行弹塑性分析获得管道的一个内压极限载荷；改变规则气孔的尺寸，再重复上述过程获取管道的另外多个内压极限载荷，分析多个内压极限载荷的变化规律从而确定内压极限载荷求解函数；最后根据内压极限载荷求解函数计算出含气孔缺陷的待测管道的内压极限载荷，判断含气孔缺陷的待测管道的内压极限载荷除以参考极限载荷的商是否大于安全系数，并根据判断结果判断管道是否符合安全要求。本发明能够快速有效地对含气孔缺陷的GIL管道进行安全评定。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路技术领域，具体涉及一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(GIL,gas-insulated metal enclosedtransmission line)具有输电容量大、占地少、布置灵活、可靠性高、维护量小、寿命长且与环境相互影响小等优点，GIL可适用于特殊气象环境或特殊地段的输电线路架设，是特高压供电必不可少的一部分。
特高压GIL管道采用铝合金结构，而熔焊是GIL管道普遍采用的连接方法。目前铝合金的熔焊焊接方法主要集中在钨极氩弧焊(简称TIG焊)、熔化极气体保护焊(简称MIG或MAG焊)和激光焊，但都容易在焊缝中产生气孔缺陷，气孔率大概为8％-10％左右，这会严重影响结构件的力学性能和安全可靠性。现有的缺陷评估方法，主要集中在裂纹等面积型缺陷或者减薄类体积型缺陷，无法针对气孔缺陷对GIL管道进行有效的安全评定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，能够快速有效地对含气孔缺陷的GIL管道进行安全评定。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，包括以下步骤：
1)对所述气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔；
2)根据GIL铝合金焊接管道的焊缝力学性能数据以及所述规则气孔建立GIL铝合金焊接管道的有限元管道模型；
3)对所述有限元管道模型进行弹塑性分析，并根据分析结果获得GIL铝合金焊接管道的一个内压极限载荷；
4)改变规则气孔的尺寸，再重复步骤2)-步骤3)获取GIL铝合金焊接管道的另一个内压极限载荷；
5)不断重复步骤4)，直至获取多个内压极限载荷；
6)分析多个内压极限载荷的变化规律，并根据分析结果确定GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷求解函数；
7)根据所述内压极限载荷求解函数计算出含气孔缺陷的一个待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷，并定义待测GIL铝合金焊接管道在无缺陷情况下的极限载荷为参考极限载荷，判断含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷除以所述参考极限载荷的商是否大于安全系数，若判断结果为是，则表明含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道符合安全要求，否则不符合安全要求。
在其中一个实施方式中，所述步骤1)中，对气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔的方法为：如图若气孔缺陷为单个气孔，则用单个球形气孔替换单个气孔；若气孔缺陷为气孔群，则用包络气孔群的长条形气孔替换气孔群。
在其中一个实施方式中，长条形气孔包括轴向气孔和环向气孔，所述轴向气孔的长度方向沿GIL铝合金焊接管道的轴向，所述环向气孔的轴线和GIL铝合件焊接管道的轴线相重合。
在其中一个实施方式中，当规则化处理后的气孔缺陷为单个球形气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝APL0+B(γ)a/t；
当规则化处理后的气孔缺陷为轴向气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝DPL0(c/t)-φ；
当规则化处理后的气孔缺陷为环向气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝mPL0(θ/π)-n；
其中，A、B、γ、D、φ、m、n均表示材料系数；PL表示含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道内压极限载荷求解函数，a表示球形气孔、轴向气孔或环向气孔的深度，c表示轴向气孔或环向气孔宽度的二分之一，t表示GIL铝合金焊接管道的壁厚，θ表示环向气孔所对应的圆心角，PL0表示GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷。
在其中一个实施方式中，GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷PL0通过以下公式计算得出：
其中：σy为材料的屈服强度；Ro为管道的外径；Ri为管道的内径。
在其中一个实施方式中，所述步骤3)的具体方法为：向所述有限元管道模型施加内压而绘制出规则气孔所在位置的内压-压变曲线，然后采用二倍弹性斜率法对内压-压变曲线进行分析而获得GIL铝合金焊接管道的一个内压极限载荷。
在其中一个实施方式中，所述焊缝力学性能数据包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度和不同应变下的应力变化量。
在其中一个实施方式中，所述焊缝力学性能数据根据以下方法获得：对所述GIL铝合金焊接管道进行全焊缝拉伸试验获得焊缝的真应力-应变变形曲线，然后根据焊缝的真应力-应变曲线计算出所述焊缝力学性能数据。
在其中一个实施方式中，所述步骤2)中有限元管道模型中的规则气孔均位于所述有限元管道模型的管壁厚度的二分之一处。
本发明具有以下有益效果：本发明的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，便于操作、整个过程简单方便，大大提高了内压极限载荷的计算效率，从而提高了GIL铝合金焊接管道的安全评估效率和准确度，能够快速有效地实现含气孔缺陷的GIL管道的安全评定。
附图说明
图1是铝合金的真应力-应曲线图；
图2是气孔缺陷为单个气孔时的规则化处理示意图；
图3是气孔缺陷为环向气孔群时的规则化处理示意图；
图4是气孔缺陷为轴向气孔群时的规则化处理示意图；
图5是由二倍弹性斜率法确定极限载荷的原理示意图；
图6是实际情况下由二倍弹性斜率法确定GIL管道内压极限载荷的示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本实施例公开了一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，包括以下步骤：
1)对气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔；
2)根据GIL铝合金焊接管道的焊缝力学性能数据以及规则气孔建立GIL铝合金焊接管道的有限元管道模型；
建立有限元管道模型时，有限元管道模型中的规则气孔均位于有限元管道模型的管壁厚度的二分之一处，这是由于当气孔缺陷位于中间位置时对结构影响最严重，因此建模时将气孔缺陷均设置于壁厚中间处。
3)对有限元管道模型进行弹塑性分析，并根据分析结果获得GIL铝合金焊接管道的一个内压极限载荷；
该步骤3)的具体过程为：向有限元管道模型施加内压(即向有限元管道模型的管道内壁施加压力)并以设定速率增加内压，直至有限元管道模型达到极限状态，从而绘制出规则气孔所在位置的内压-压变曲线，然后如图5-图6所示，采用二倍弹性斜率法对内压-压变曲线进行分析而获得该GIL铝合金焊接管道在此种规则气孔下的一个内压极限载荷。如图5-图6所示，二倍弹性斜率的直线与有限元计算的内压-应变曲线的交点即为此种缺陷下GIL管道的内压极限载荷。
4)改变规则气孔的尺寸，再重复步骤2)-步骤3)获取GIL铝合金焊接管道的另一个内压极限载荷；
5)不断重复步骤4)，直至获取GIL铝合金焊接管道在不同尺寸的规则气孔情况下(也即不同尺寸的气体缺陷情况下)的多个内压极限载荷；
6)分析多个内压极限载荷的变化规律，并根据分析结果利用非线性拟合方法确定GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷求解函数；
7)根据所述内压极限载荷求解函数计算出含气孔缺陷的一个待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷PL，并定义待测GIL铝合金焊接管道在无缺陷情况下的极限载荷PL0为参考极限载荷，判断含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷除以参考极限载荷的商是否大于安全系数，安全系数可采用1.2，若判断结果为是，也即
则表明含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道符合安全要求，否则不符合安全要求，也即
时，不符合安全要求。
上述过程通过步骤1)-6)建立通用的内压极限载荷求解函数，然后再通过步骤7)对实际待测的GIL铝合金焊接管道进行安全评估。
可以理解的，若待测GIL铝合金焊接管道数量较少且气孔缺陷较为单一，也可直接根据步骤1)-步骤3)得出待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷，然后直接判断含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷除以参考极限载荷的商是否大于安全系数，若判断结果为是，则表明含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道符合安全要求，否则不符合安全要求，应该对该管道进行维修或替换。
在其中一个实施方式中，上述步骤1)中，对所述气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔的方法为：如图2所示，若气孔缺陷为单个气孔，则用单个球形气孔替换单个气孔；如图3-图4所示，若气孔缺陷为气孔群(两个及两个以上气孔)，则用包络气孔群的长条形气孔替换气孔群。也即规则气孔包括球形气孔或长条形气孔。
进一步地，长条形气孔包括轴向气孔和环向气孔，当气孔群为轴向气孔群则规则化为轴向气孔，如图3所示，轴向气孔的长度方向沿GIL铝合金焊接管道的轴向，当气孔群为轴向环向群则规则化为环向气孔，如图4所示(图4只显示了管道的一半)，环向气孔的轴线和GIL铝合件焊接管道的轴线相重合，也即环向气孔是沿GIL铝合金焊接管道的周向设置。
在其中一个实施方式中，当规则化处理后的气孔缺陷为单个球形气孔时，上述步骤6)中的内压极限载荷求解函数为：PL＝APL0+B(γ)a/t；
当规则化处理后的气孔缺陷为轴向气孔时，内压极限载荷求解函数为：PL＝DPL0(c/t)-φ；
当规则化处理后的气孔缺陷为环向气孔时，内压极限载荷求解函数为：PL＝mPL0(θ/π)-n；
其中，A、B、γ、D、φ、m、n均表示材料系数，可由材料的屈服强度和应力-应变曲线得出；PL表示含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道内压极限载荷求解函数，a表示球形气孔、轴向气孔或环向气孔的深度，c表示轴向气孔或环向气孔宽度的二分之一，t表示GIL铝合金焊接管道的壁厚，θ表示环向气孔在GIL铝合金焊接管道上所对应的圆心角，以确定环向气孔的位置；PL0表示GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷。
当铝合金采用5754规格的铝合金时，上述三个公式分别为：PL＝0.8PL0+1.03(0.041)a/t；PL＝0.80PL0(c/t)-0.134；PL＝0.83PL0(θ/π)-0.0236
在其中一个实施方式中，GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷PL0通过以下公式计算得出：
其中：σy为材料的屈服强度；Ro为管道的外径；Ri为管道的内径。
在其中一个实施方式中，在步骤1)中对气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔后，还对气孔缺陷进行无量纲化处理，无量纲化气孔缺陷深度为a/t，无量化气孔缺陷轴向长度为c/t，无量纲化气孔缺陷环向长度为θ/π。
在其中一个实施方式中，焊缝力学性能数据包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度和不同应变下的应力变化量。
在其中一个实施方式中，步骤2)中的焊缝力学性能数据可根据以下方法获得：对GIL铝合金焊接管道进行全焊缝拉伸试验获得焊缝的真应力-应变变形曲线，然后根据焊缝的真应力-应变曲线计算出所述焊缝力学性能数据。
在其中一个实施方式中，对于无法进行全焊缝拉伸试验而获得焊缝的真应力-应变变形曲线的情况，例如无法从焊接接头中制备足够尺寸的焊缝金属拉伸试样时，可以GIL铝合金焊接管道的母材进行拉伸试验，获得如图1所示的母材的真应力-应变曲线，从而获得母材材料性能数据，包括母材的弹性模量、屈服强度、抗拉强度以及不同塑性应变下对应的应力关系，然后把母材的材料性能数据乘以焊缝强度减弱系数，即可得到焊缝的材料性能数据。其中焊缝强度减弱系数为75％～85％，这根据所采用铝合金的牌号和焊接方法进行选择。
在其中一个实施方式中，建立有限元管道模型时，可以只建立1/2管道的的三维有限元模型，也即只建立管道轴对称平面一侧的半个管道模型即可。
下面以材料为5754铝合金的特高压GIL管道，具体说明上述安全评定方法：
通过常规无损探伤体测得焊缝内部存在轴向气孔群缺陷，该GIL管道的管道规格为：Ro＝450mm，Ri＝440mm，t＝10mm；焊缝力学性能参数为：弹性模量为72GPa，屈服强度为190MPa；抗拉强度为280MPa；轴向气孔的参数c为34mm；
根据内压极限载荷求解函数PL＝0.80PL0(c/t)-0.134计算出该GIL管道的内压极限载荷PL＝3.39MPa；再根据
计算出参考极限载荷(也即GIL管道在无缺陷情况下的极限载荷)PL0＝4.93Mpa；
由于
因此该气孔缺陷对结构是不安全的，应该进行维修或替换。
本实施例的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，先根据气孔缺陷类型将气孔缺陷简化为位于管道壁厚中间位置的单一规则气孔或长条状气孔，并综合该缺陷结构以及焊缝力学性能建立有限元管道模型；然后再绘制出内压-应变变形曲线，从而得到不同气孔缺陷下极限载荷，整个过程简单方便、便于操作，大大提高了内压极限载荷的计算效率，从而提高了GIL铝合金焊接管道的安全评估效率和准确度，能够快速有效地实现含气孔缺陷的GIL管道的安全评定。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，包括以下步骤：
1)对所述气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔；
2)根据GIL铝合金焊接管道的焊缝力学性能数据以及所述规则气孔建立GIL铝合金焊接管道的有限元管道模型；
3)对所述有限元管道模型进行弹塑性分析，并根据分析结果获得GIL铝合金焊接管道的一个内压极限载荷；
4)改变规则气孔的尺寸，再重复步骤2)-步骤3)获取GIL铝合金焊接管道的另一个内压极限载荷；
5)不断重复步骤4)，直至获取多个内压极限载荷；
6)分析多个内压极限载荷的变化规律，并根据分析结果确定GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷求解函数；
7)根据所述内压极限载荷求解函数计算出含气孔缺陷的一个待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷，并定义待测GIL铝合金焊接管道在无缺陷情况下的极限载荷为参考极限载荷，判断含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道的内压极限载荷除以所述参考极限载荷的商是否大于安全系数，若判断结果为是，则表明含气孔缺陷的待测GIL铝合金焊接管道符合安全要求，否则不符合安全要求；
其中，所述步骤1)中，对气孔缺陷进行规则化处理得到规则气孔的方法为：若气孔缺陷为气孔群，则用包络气孔群的长条形气孔替换气孔群；若气孔缺陷为单个气孔，则用单个球形气孔替换单个气孔；
当规则化处理后的气孔缺陷为单个球形气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝APL0+B(γ)a/t；
当规则化处理后的气孔缺陷为轴向气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝DPL0(c/t)-φ；
当规则化处理后的气孔缺陷为环向气孔时，所述内压极限载荷求解函数为：PL＝mPL0(θ/π)-n；
其中，A、B、γ、D、φ、m、n均表示材料系数；PL表示含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道内压极限载荷求解函数，a表示球形气孔、轴向气孔或环向气孔的深度，c表示轴向气孔或环向气孔宽度的二分之一，t表示GIL铝合金焊接管道的壁厚，θ表示环向气孔所对应的圆心角，PL0表示GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷。
2.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，所述长条形气孔包括轴向气孔和环向气孔，所述轴向气孔的长度方向沿GIL铝合金焊接管道的轴向，所述环向气孔的轴线和GIL铝合件焊接管道的轴线相重合。
3.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，GIL铝合金焊接管道在无缺陷状态下的内压极限载荷PL0通过以下公式计算得出：
其中：σy为材料的屈服强度；Ro为管道的外径；Ri为管道的内径。
4.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，所述步骤3)的具体方法为：向所述有限元管道模型施加内压而绘制出规则气孔所在位置的内压-压变曲线，然后采用二倍弹性斜率法对内压-压变曲线进行分析而获得GIL铝合金焊接管道的一个内压极限载荷。
5.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，所述焊缝力学性能数据包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度和不同应变下的应力变化量。
6.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，所述焊缝力学性能数据根据以下方法获得：对所述GIL铝合金焊接管道进行全焊缝拉伸试验获得焊缝的真应力-应变变形曲线，然后根据焊缝的真应力-应变曲线计算出所述焊缝力学性能数据。
7.如权利要求1所述的含气孔缺陷的GIL铝合金焊接管道安全评定方法，其特征是，所述步骤2)中有限元管道模型中的规则气孔均位于所述有限元管道模型的管壁厚度的二分之一处。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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