CN112214920B - 一种管道损伤后lbb评估处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道损伤后LBB评估处理方法，评估处理方法包括以下步骤，对管道焊接或矫形过程中的损伤作数值仿真分析；计算残余应力单独引起的应力强度因子、评估时刻其它载荷引起的应力强度因子以及考虑残余应力的弹塑性断裂参量；计算不同裂纹尺寸下裂纹前沿的积分，并进行拟合，再计算结构失效临界裂纹尺寸及结构临界泄漏裂纹尺寸；计算两者的比值，并将其与行业评估标准中的评价准则进行比较，若所述比值结果不满足所述评价准则，启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。本发明提供的管道损伤后LBB评估处理方法能够快速计算焊接过程残余应力，克服了现有计算过程热源复杂、计算耗时、结果收敛性差等的计算问题。

Description

一种管道损伤后LBB评估处理方法

技术领域

本发明涉及结构完整性评定技术领域，尤其涉及一种管道损伤后LBB评估处理方法。

背景技术

核电厂广泛使用奥氏体不锈钢的管道，在制造和服役更换设备过程中常存在大量的焊 接接头。目前，核电厂工程安全评估中，如何精确分析焊接残余应力的分布仍是一个技术 难点。焊接残余应力的数值仿真是指在短时间内将热能添加到有限元模型中的“焊接单 元”，然后停止能量加入，通过热传导形成模型的反复加热冷却过程。其中，移动“双椭球型热源”是模拟焊机过程最精确的方法。但“双椭球型热源”热源形式复杂，计算耗时、 收敛性也存在问题。

同时，当前主要核电的结构完整性评估规范中仍未提供考虑焊接残余应力的断裂评估 方法，工程上仍需要建立复杂的含缺陷有限元模型进行分析计算，难以满足快速、可靠的 评估要求。另一方面，上世纪80年代以前的核反应堆设计中，为了保证结构的可靠性，往往把压力管道的双端剪切断裂作为设计基准事故，但后来的理论研究和实验发现，双端剪切断裂事故的发生概率是非常小，以此作为设计基础事故会带来一些得不偿失的问题。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种管道损伤后LBB(破前漏，Leak-Before-Break，简称 LBB)评估处理方法，技术方案如下：

提供了一种管道损伤后LBB评估处理方法，包括以下步骤：

S1、对管道焊接或矫形过程中的损伤作数值仿真分析，包括：设定焊缝材料性能、确 定焊缝工艺、确定焊接单元尺寸与焊接顺序、焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度 场数值模拟、焊接过程应力场数值模拟；

S2、基于残余应力的弹塑性断裂参量计算方法来计算残余应力单独引起的应力强度因 子、计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子以及计算考虑残余应力的弹塑性断裂参

S3、根据步骤S1中的数值仿真分析结果及步骤S2中的计算结果，计算不同裂纹尺寸下 裂纹前沿的积分，并将不同裂纹尺寸裂纹前沿的积分进行拟合，再计算结构失效临界裂纹 尺寸及结构临界泄漏裂纹尺寸；

S4、计算所述结构失效临界裂纹尺寸与结构临界泄漏裂纹尺寸的比值，并将其与行业 评估标准中的评价准则进行比较，若所述比值结果不满足所述评价准则，则计算机获取所 述管道的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。

进一步地，在S1步骤中，所述焊缝材料性能包括导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度和应力-应变曲线，所述焊缝材料性能随温度 变化而发生变化。

进一步地，，在S1步骤中，所述焊接热输入量控制准则设定包括以下步骤：

S101、对单元体进行均匀体积加热，在每个增量时间步长中加热率递增一个常数数值；

S102、检查每个热输入增量过程中的温度分析结果，直至所述单元体温度已经到达其 熔化温度，则终止热量输入，使得所述单元体开始冷却。

进一步地，，在S1步骤中，所述焊接过程应力场数值模拟为热-机械应力的间接耦合计 算方法。

进一步地，在S2步骤中，所述计算残余应力单独引起的应力强度因子是通过现有的核 电相关评估规范中的影响函数计算方程快速计算获得。

进一步地，，计算不同裂纹尺寸下裂纹前沿的J积分基于下列方程进行：

式中，E——弹性模量，MPa；

ν——为泊松比；

K_J——弹塑性断裂参量。

进一步地，将不同裂纹尺寸下裂纹前沿J积分进行拟合是基于下列方程进行：

式中，c_i——多项式拟合系数；

a——不同裂纹尺寸，mm。

进一步地，在S3步骤中，计算所述结构失效临界裂纹尺寸基于下列方程进行：

式中，a_c——结构失效临界裂纹尺寸，mm；

S和T为材料基本物理性能断裂韧性阻力曲线的特征参数。

进一步地，在S3步骤中，计算所述结构临界泄漏裂纹尺寸基于下列方程进行：

式中，a_L——结构临界泄漏裂纹尺寸，mm；

m——泄漏检测仪器的精度，kg/min；

ρ——介质的密度，kg/m³；

D——裂纹面的张开距离，m。

进一步地，在S4步骤中，所述评价准则的判断依据为若所述结构失效临界裂纹尺寸与 所述结构临界泄漏裂纹尺寸的比值大于2，则满足所述评价准则要求，若不大于2，则不满足所述评价准则要求。

本发明具有下列优点：

a.快速计算焊接过程残余应力，克服了现有计算过程热源复杂、计算耗时、结果收敛 性差等的计算问题；

b.建立了考虑焊接残余应力对结构断裂安全性能影响评价的方法，为核电厂管道LBB 分析提供了技术支持；

c.提高核电厂含裂纹类缺陷关键设备安全评估的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的评估处理方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的焊接材料的应力-应变曲线示意图；

图3是本发明实施例提供的焊接过程中温度控制检查方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的焊接过程中热输入量控制曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的焊接顺序示意图；

图6是本发明实施例提供的残余应力分布图；

图7是本发明实施例提供的断裂参量计算曲线示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二” 等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的 数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本发明的一个实施例中，提供了一种管道损伤后LBB评估处理方法，如图1所示，它包括以下步骤：

S1、对管道焊接或矫形过程中的损伤作数值仿真分析，包括：设定焊缝材料性能、确 定焊缝工艺、确定焊接单元尺寸与焊接顺序、焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度 场数值模拟、焊接过程应力场数值模拟；

S2、基于残余应力的弹塑性断裂参量计算方法来计算残余应力单独引起的应力强度因 子、计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子以及计算考虑残余应力的弹塑性断裂参 量；

S3、根据步骤S1中的数值仿真分析结果及步骤S2中的计算结果，计算不同裂纹尺寸 下裂纹前沿的积分，并将不同裂纹尺寸裂纹前沿的积分进行拟合，再计算结构失效临界裂 纹尺寸及结构临界泄漏裂纹尺寸；

S4、计算所述结构失效临界裂纹尺寸与结构临界泄漏裂纹尺寸的比值，并将其与行业 评估标准中的评价准则进行比较，若所述比值结果不满足所述评价准则，则计算机获取所 述管道的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。

在本发明的一个实施例中，按以下步骤进行具体操作：

1)焊缝材料性能设定

焊缝材料性能包括材料的导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、 屈服强度、抗拉强度和应力-应变曲线，所述材料特性包含各参数随温度(20℃至1500℃ 之间)的变化关系。本发明实施例中，不同温度下焊缝材料应力-应变曲线如图2所示。

2)焊缝工艺确定

焊缝工艺确定包括焊接形式(氩弧焊、手工电弧焊等)、焊接热输入量、层间温度、热效率等。

3)焊接单元尺寸与焊接顺序确定

焊接单元尺寸与焊接顺序确定包括依据实际焊接工艺确定有限元焊道的尺寸和各焊 道的焊接顺序。本发明中，某管道接头焊缝的焊接顺序如图3和图5所示。

4)焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度场数值模拟

焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度场数值模拟为降低数值仿真计算耗时和 提高数值仿真结果收敛性的核心技术内容，本发明实施例的焊接热输入量控制准则如图2 所示通过三角函数(线性斜坡)给单元体均匀体积加热，并且在每个增量时间步长中加热 率递增5％，如图3和图4所示，该情况下具有最好的收敛特性。所述三角函数只是一个初始输入曲线，在数值分析中检查每个热输入增量过程中的温度分析结果，如果单元温度已经到达金属熔化温度，则热量输入将立即被终止，开始单元体的冷却。热输入曲线可以在任何增量步骤上停止。然后，在激活下一个焊道之前自动确定焊接单元已达到所需的焊道层间温度所需的冷却时间)。本发明采用的单元体均匀体积加热的热输入量方 法如公式(1)所示：

式(1)中，η为焊接热效率；Q为热输入量(J)，V_bead焊道体积(mm³)；t_ramp为焊接热 输入时间(s)。

5)焊接过程应力场数值模拟

焊接过程应力场数值模拟采用的是热-机械应力的间接耦合计算方法。

6)计算残余应力单独引起的应力强度因子K_I-R

计算残余应力单独引起的应力强度因子是通过基于现有的核电相关评估规范(如RCC-M规范)中的影响函数计算方程快速计算获得。

7)计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子K_I-O

8)计算考虑残余应力的弹塑性断裂参量K_J

参见图7，计算考虑残余应力的弹塑性断裂参量是基于方程(2)进行：

式中，n为材料拉伸性能Ramberg-Osgood关系中的硬化指数参数，为对 应裂纹前沿总的断裂参量(K_I-R+K_I-O)时的评估点与坐标原点的连线与R6规范中选择1曲线交点对应的应力强度因子数值。

9)计算不同裂纹尺寸a(mm)下裂纹前沿的J积分，并将J积分进行拟合

计算不同裂纹尺寸a下裂纹前沿的J积分是基于方程(3)进行：

式中，E为弹性模量(MPa)，ν为泊松比；

将不同裂纹尺寸a下裂纹前沿J积分进行拟合是基于方程(4)进行：

式中，c_i为多项式拟合系数；

10)计算结构失效临界裂纹尺寸a_c(mm)

计算结构失效临界裂纹尺寸是基于方程(5)进行：

式(4)中，S和T为材料基本物理性能断裂韧性阻力曲线的特征参数；

11)计算结构临界泄漏裂纹尺寸a_L(mm)

结构临界泄漏裂纹尺寸计算基于方程(6)进行：

式中，m为泄漏检测仪器的精度(kg/min)，P为管道内介质的工作压力(MPa)，ρ为介质的密度(kg/m³)，D为裂纹面的张开距离(m)。

12)管道LBB评估准则判断

管道LBB评估准则判断是指若a_c/a_L大于2则满足LBB准则要求；若a_c/a_L不大于2 则不满足准则要求。若所述比值结果不满足所述评价准则，则计算机获取所述管道的位置 信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联 系人发送提示消息。

在本发明的一个优选实施例中，某奥氏体不锈钢管道材质为Z2CND18-12N2，管道内 径R_i＝142.1mm，外径R₃＝177.8mm，采用本发明方法进行焊接过程数值仿真。在ANSYS 软件数值仿真过程中，分别采用线性单元Solid 70和Solid 185进行热分析和应力分析，在预计温度和应力梯度较高的焊缝和邻近区域采用细化网格的网格。为获得良好的收敛结果，相关单元的边缘长度取约为1.25mm。在实施例中，焊缝及邻近区域的平均单元尺寸约为1mm。具体操作如下：

1)焊缝材料性能设定

基于核电设计规范RCC-M和EPRI报告《Materials Reliability Program：WeldingResidual Stress Dissimilar Metal Butt-Weld Finite Element Modeling Handbook》选取材料的性能参数，不同温度下焊缝材料应力-应变曲线如图2所示。

2)焊缝工艺确定

焊缝工艺确定包括焊接形式(氩弧焊、手工电弧焊等)、焊接热输入量、层间温度、热效率等。本实施例中，第一焊道为氩弧焊，填充焊道手工电弧焊，预热温度5℃，层间 温度175℃，热输入量时间8s，热输入量1.1kJ/mm。

3)焊接单元尺寸与焊接顺序确定

焊接单元尺寸与焊接顺序确定包括依据实际焊接工艺确定有限元焊道的尺寸和各焊 道的焊接顺序。本实施例中，某管道接头焊缝的焊接顺序如图3所示。

4)焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度场数值模拟

本实施例的焊接热数量控制准则如图2所示通过三角函数(线性斜坡)给单元体均匀 体积加热，并且在每个增量时间步长中加热率递增5％，如图3所示。

5)焊接过程应力场数值模拟

焊接过程应力场数值模拟采用的是热-机械应力的间接耦合计算方法，本实施例的焊接 残余应力分布如图6所示。

6)计算残余应力单独引起的应力强度因子

计算残余应力单独引起的应力强度因子是通过基于现有的核电相关评估规范(如RCC-M规范)中的影响函数计算方程快速计算获得，本实施例残余应力单独引起的应力强度因子为

7)计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子

本实施例中，某计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子为

8)计算考虑残余应力的弹塑性断裂参量

基于方程(2)计算考虑残余应力的弹塑性断裂参量

9)计算不同裂纹尺寸下裂纹前沿的J积分，并将J积分进行拟合

10)计算结构失效临界裂纹尺寸

基于方程(5)计算的结构失效临界裂纹尺寸a_c为1016mm。

11)结构临界泄漏裂纹尺寸计算

基于方程(6)计算的结构临界泄漏裂纹尺寸a_L为450mm。

12)管道LBB评估准则判断

管道LBB评估准则判断是指若a_c/a_L大于2，满足LBB准则要求。若所述比值结果不满足所述评价准则，则计算机可以通过传感器或GPS定位装置获取所述管道的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息，包括但不限于短信、电话、App消息形式，以提示相应的负责人对LBB评估 结果为不合格的管道进行相应的处理，比如更换新的合格管道，或者更换所在的整体设备， 以实现在线安全监测；或者在现场布置与待检测的设备(管道)一一对应的报警灯装置，若评价结果为管道是安全可靠的，则控制所述报警灯装置显示绿色，若评价结果为不符合 安全评价准则，则控制所述报警灯装置显示红色。

本发明提供的管道损伤后LBB评估处理方法为满足核电厂大型设备焊接残余应力的快 速数值仿真，通过单元体均匀体积加热的方法同样可以获得较为精确的焊接残余应力分布 形式，以替代现有的方法，并在在设计中采用LBB分析技术，则既可以确保核反应堆的安全，又可以省去一些不必要的设施。本发明提供的管道损伤后LBB评估处理方法能够快速 计算焊接过程残余应力，克服了现有计算过程热源复杂、计算耗时、结果收敛性差等的计 算问题，建立了考虑焊接残余应力对结构断裂安全性能影响评价的方法，为核电厂管道LBB 分析提供了技术支持，提高核电厂含裂纹类缺陷关键设备安全评估的准确性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明 书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种管道损伤后LBB评估处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对管道焊接或矫形过程中的损伤作数值仿真分析，包括：设定焊缝材料性能、确定焊缝工艺、确定焊接单元尺寸与焊接顺序、焊接热输入量控制准则设定和焊接过程温度场数值模拟、焊接过程应力场数值模拟；

其中，所述焊接热输入量控制准则设定包括以下步骤：

S101、对单元体进行均匀体积加热，在每个增量时间步长中加热率递增一个常数数值；

S102、检查每个热输入增量过程中的温度分析结果，直至所述单元体温度已经到达其熔化温度，则终止热量输入，使得所述单元体开始冷却；

S2、基于残余应力的弹塑性断裂参量计算方法来计算残余应力单独引起的应力强度因子、计算评估时刻其它载荷引起的应力强度因子以及计算考虑残余应力的弹塑性断裂参量；

S3、根据步骤S1中的数值仿真分析结果及步骤S2中的计算结果，计算不同裂纹尺寸下裂纹前沿的积分，并将不同裂纹尺寸裂纹前沿的积分进行拟合，再计算结构失效临界裂纹尺寸及结构临界泄漏裂纹尺寸；

S4、计算所述结构失效临界裂纹尺寸与结构临界泄漏裂纹尺寸的比值，并将其与行业评估标准中的评价准则进行比较，若所述比值结果不满足所述评价准则，则计算机获取所述管道的位置信息，根据所述位置信息在数据库中匹配相应联系人信息，并启动通信模块以向对应的联系人发送提示消息。

2.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S1步骤中，所述焊缝材料性能包括导热系数、热膨胀系数、比热容、密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度和应力-应变曲线，所述焊缝材料性能随温度变化而发生变化。

3.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S1步骤中，所述焊接过程应力场数值模拟为热-机械应力的间接耦合计算方法。

4.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S2步骤中，所述计算残余应力单独引起的应力强度因子是通过现有的核电相关评估规范中的影响函数计算方程快速计算获得。

5.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S3步骤中，计算不同裂纹尺寸下裂纹前沿的J积分基于下列方程进行：

式中，E——弹性模量，MPa；

ν——为泊松比；

K_J——弹塑性断裂参量。

6.根据权利要求5所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S3步骤中，将不同裂纹尺寸下裂纹前沿J积分进行拟合是基于下列方程进行：

式中，c_i——多项式拟合系数；

a——不同裂纹尺寸，mm。

7.根据权利要求6所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S3步骤中，计算所述结构失效临界裂纹尺寸基于下列方程进行：

式中，a_c——结构失效临界裂纹尺寸，mm；

S和T为材料基本物理性能断裂韧性阻力曲线的特征参数。

8.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S3步骤中，计算所述结构临界泄漏裂纹尺寸基于下列方程进行：

式中，a_L——结构临界泄漏裂纹尺寸，mm；

m——泄漏检测仪器的精度，kg/min；

P——管道内介质的工作压力，MPa；

ρ——介质的密度，kg/m³；

D——裂纹面的张开距离，m。

9.根据权利要求1所述的LBB评估处理方法，其特征在于，在S4步骤中，所述评价准则的判断依据为若所述结构失效临界裂纹尺寸与所述结构临界泄漏裂纹尺寸的比值大于2，则满足所述评价准则要求，否则不满足所述评价准则要求。