CN110968916B - 一种含有环向表面裂纹v型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器及其应用，所述生成器包括模型名称模块、材料模块、管道几何参数模块、焊缝几何参数模块和裂纹几何参数模块；所述模型名称模块用于输入建模名称；所述材料模块包括基材金属部分、内衬层部分和焊缝部分，用于分别独立设置材料参数；所述管道几何参数模块用于输入管道外直径D、径厚比D/t和内衬层厚度tc三个参数；所述焊缝几何参数模块用于输入根部间隙率lg和焊缝半坡口角度Aw两个参数；所述裂纹几何参数模块用于输入裂纹深度壁厚比a/t和裂纹深长比a/c两个参数。本发明大大降低了建模时间。
Description
技术领域
本发明涉及工程技术领域，特别是涉及一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器。
背景技术
冶金复合管作为海底油气输送的重要载体，是目前应用最为广泛的方法。对于深海油气资源开采，常常需要长达数千米的管线。输送管道必须通过焊接技术将数米长的复合管逐根连接并送入深海铺设。目前常用的铺设方法有J型铺设法、S型铺设法和卷管铺设法。这些方法在铺管和服役过程中，管道会受到1％-3％的塑性应变。同时由于焊接过程中不可避免的会产生未熔合、未焊透、裂纹等危害性缺陷。部分微小缺陷由于位置和取向的原因无法通过无损检测发现。有时即使发现缺陷，由于返修成本过高也难以补救。因此只有通过工程临界评估手段，才能确定缺陷是否会导致管道失效，从而保障整个海底管道服役过程的安全性和经济性。
目前，针对海底管道工程临界评估的方法有解析法、有限元法等。其中解析法通常是基于大量有限元计算结合理论推导或实验验证得到。有限元法是相对经济而且准确的方法，然而建模过程比较复杂，因而耗时较长。本发明基于商用有限元软件Abaqus结合Python语言和GUI插件实现含有环向表面裂纹V型坡口冶金复合管的自动建模计算过程。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器,本发明基于冶金复合管管道形状参数、焊缝坡口参数和裂纹几何形状参数、基于GUI插件设计建立一套自动化快速建模计算方法，从而实现含有环向表面裂纹V型坡口焊缝海底冶金复合管的准确工程临界评估。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器，包括模型名称模块、材料模块、管道几何参数模块、焊缝几何参数模块和裂纹几何参数模块；
所述模型名称模块用于输入建模名称；
所述材料模块包括基材金属部分、内衬层部分和焊缝部分，用于分别独立设置材料参数；
所述管道几何参数模块用于输入管道外直径D、径厚比D/t和内衬层厚度tc三个参数；
所述焊缝几何参数模块用于输入根部间隙率lg和焊缝半坡口角度Aw两个参数；
所述裂纹几何参数模块用于输入裂纹深度壁厚比a/t和裂纹深长比a/c两个参数。
在上述技术方案中，所述金属部分包括以下材料类型：X65、X70、X80以及自定义材料属性。
在上述技术方案中，所述内衬层部分和焊缝部分均包括以下材料类型：Inconel625、316L、X65、X70、X80以及自定义材料属性。
在上述技术方案中，所述自定义材料属性用于定义材料名称，包括手动输入材料数据选项，从外部粘贴数据选项和从链接文档读取材料数据选项。
在上述技术方案中，各参数的单位如下表所示：
在上述技术方案中，各参数的取值范围如下表所示：
本发明的另一方面，还包括所述海底冶金复合管模生成器在工程临界评估中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
对于工程临界评估而言，有限元分析主要的劣势是建模过程复杂，耗时较长。对于含有环向表面裂纹的冶金复合管通过手动方式建模通常每个模型大概需要1个小时左右，通过本发明的软件插件自动建模每个模型只需要11秒左右，速度加快了2个数量级，同时不需要使用人员有过高的有限元专业知识。这大大提高了海底管道工程临界评估的速度，也降低了评估人员的技术门槛。
附图说明
图1所示为GUI插件的构造分解图。
图2所示为模型名称模块的界面图。
图3所示为材料模块中基材金属部分的界面图。
图4所示为材料模块中内衬层部分的界面图。
图5所示为材料模块中焊缝部分的界面图。
图6所示为手动输入或从外部粘贴数据或从链接文档读取材料数据的的界面图
图7所示为管道几何参数模块的界面图。
图8所示为焊缝几何参数模块。
图9所示为裂纹几何参数模块。
图10所示为实施例中建立的模型图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
海底复合管在铺设和服役过程中会受到1％-3％的塑性应变，在建模过程中，在管道不含裂纹一侧端面施加的位移约束以刚好达到4％应变为基准；由于边界条件和几何对称性，建立1/4模型，对称面为管道轴向中心切面和含有裂纹的端面。整个软件包括Python脚本内核和GUI用户图形操作界面部分。Python脚本内核主要实现后台建模过程；GUI插件实现用户界面操作。Python脚本内核和GUI插件通过"def"定义的参量进行链接，每一个GUI插件中输入的参量在Python脚本中均有一个通过"def"定义的关键词相对应并储存。整个GUI插件的构造分解如图1所示。
该插件主要包括五大部分，分别由模型名称、材料、管道几何参数、焊缝几何参数、裂纹几何参数构成。模型名称部分用于输入建模名称，如图2所示，图2下方图片为含有环向裂纹复合管的1/4模型示意图。材料部分如图3-图6所示，包括基材金属、内衬层和焊缝三个部分，可以分别独立设置材料参数。对于基材金属提供可选择的常用金属种类X65、X70、X80以及自定义材料属性；对于内衬层和焊缝部分，提供常用金属种类为Inconel 625、316L、X65、X70、X80以及自定义材料属性。其中自定义材料属性可以定义材料名称，并且可以手动输入材料数据，也可以从外部粘贴数据或从链接文档读取材料数据，如图6所示。图7为管道几何参数部分，包括输入管道外直径D、径厚比D/t和内衬层厚度tc。图7下方附图为尺寸标注示意图。图8为焊缝几何参数部分，包括根部间隙率lg和焊缝半坡口角度Aw两个参数。图8下方附图为两个参数的定义。其中根部间隙率lg定义如公式1所示。图9为裂纹几何参数部分，包括裂纹深度壁厚比a/t和裂纹深长比a/c两部分。图9下方附图为各参数的定义。
lg＝根部间隙/t 公式1
软件中所输入的各参量单位如表1所示。
表格1参量单位
该软件的参数可调范围如表2所示
表格2参数可调范围
实施例
(1)确定待评估复合管缺陷类型为环向表面裂纹，同时确定管道几何参数和缺陷几何参数在表格2的可调范围之内。
(2)以cladpipe1为例作为模型名称，基材金属、内衬层、焊缝分别选择X65、Inconel 625、Inconel 625；管道几何参数分别输入D＝200，D/t＝15，tc＝3；焊缝几何参数分别输入lg＝0.2，Aw＝0.39，裂纹几何参数分别输入a/t＝0.2,a/c＝0.3。
(3)点击OK键，模型将自动建立并计算，建立的模型如下图10所示。经核实，模型的名称，与各参数值与软件插件中输入的一致。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种含有环向表面裂纹V型坡口焊缝的海底冶金复合管模生成器，其特征在于，包括模型名称模块、材料模块、管道几何参数模块、焊缝几何参数模块和裂纹几何参数模块；所述生成器包括Python脚本内核和GUI用户图形操作界面；所述Python脚本内核用于实现建模过程；所述GUI用户图形操作界面用于实现用户界面操作；所述Python脚本内核和所述GUI用户图形操作界面通过"def"定义的参量进行链接，使任意一个在所述GUI用户图形操作界面中输入的参量在所述Python脚本中均有一个通过"def"定义的关键词相对应；
所述模型名称模块用于输入建模名称；
所述材料模块包括基材金属部分、内衬层部分和焊缝部分，用于分别独立设置材料参数；
所述管道几何参数模块用于输入管道外直径D、径厚比D/t和内衬层厚度tc三个参数；
所述焊缝几何参数模块用于输入根部间隙率lg和焊缝半坡口角度Aw两个参数；
所述裂纹几何参数模块用于输入裂纹深度壁厚比a/t和裂纹深长比a/c两个参数。
2.如权利要求1所述的海底冶金复合管模生成器，其特征在于，所述金属部分包括以下
材料类型：X65、X70、X80以及自定义材料属性。
3.如权利要求1所述的海底冶金复合管模生成器，其特征在于，所述内衬层部分和焊缝部分均包括以下材料类型：Inconel 625、316L、X65、X70、X80以及自定义材料属性。
4.如权利要求2或3所述的海底冶金复合管模生成器，其特征在于，所述自定义材料属性用于定义材料名称，包括手动输入材料数据选项，从外部粘贴数据选项和从链接文档读取材料数据选项。
5.如权利要求1-4中任一项所述的海底冶金复合管模生成器在工程临界评估中的应用。
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