CN112464528A - 一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,包括以下步骤:S1、基于待测量焊接管道的几何形状、尺寸大小和材料性能建立焊接管道有限元数值模型;S2、采用机械方法剖分待测量焊接管道;S3、以步骤S2相同的剖分角度模拟剖分步骤S1建立的焊接管道有限元数值模型,获取待测量焊接管道剖分引起的管道残余应力变化值;S4、测量剖分后的管道内表面及内部残余应力;S5、以步骤S3获得的管道残余应力变化值修正步骤S4获得的管道内表面及内部残余应力获得焊接管道内表面及内部残余应力。本发明提高了焊接管道内表面及内部残余应力的测量精准度。
Description
技术领域
本发明涉及应力测量领域,具体涉及一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法。
背景技术
管道构件在焊接过程中,不同部位经受不均匀的热过程、组织相变过程,从而在管道构件内形成焊接应力。焊接结束后,因塑性变形而不能完全消失的应力最终成为构件的残余应力。
目前,残余应力的测量方法主要是机械法和物理法。机械法目前最常用的是盲孔法,物理法用的最多的则是X射线衍射法。
对于部分特殊尺寸的管道结构,限于测量设备的尺寸和操作方法,难以直接采用盲孔法进行测量,或测量数据误差很大,针对这类焊接管道内表面及内部残余应力测量,需要首先对焊接管道进行整体加工,形成易于盲孔法实施的结构,但是,在整体加工过程中导致应力变化,如果直接测量整体加工后的应力,会导致测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,以提高焊接管道内表面及内部残余应力的测量精准度。
本发明通过下述技术方案实现:
一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,包括以下步骤:
S1、基于待测量焊接管道的几何形状、尺寸大小和材料性能建立焊接管道有限元数值模型;
S2、采用机械方法剖分待测量焊接管道;
S3、以步骤S2相同的剖分角度模拟剖分步骤S1建立的焊接管道有限元数值模型,获取待测量焊接管道剖分引起的管道残余应力变化值;
S4、测量剖分后的管道内表面及内部残余应力;
S5、以步骤S3获得的管道残余应力变化值修正步骤S4获得的管道内表面及内部残余应力获得焊接管道内表面及内部残余应力。
焊接管道由于结构尺寸限制,难以实现“在不影响管道残余应力状态的前提下,加工出满足要求的测量小孔(盲孔法测量残余应力)”。
本发明是以难以直接实施盲孔法测量残余应力的焊接管道为对象,采用剖分后盲孔法测量,结合数值模拟补偿获取焊接管道残余应力的方法。
本发明通过建立基于实际焊接制造过程的有限元模型,模拟获取整体剖分后的管道的残余应力变化值,对测量结果进行补偿修正,最终获得焊接管道的残余应力分布,提高了焊接管道内表面及内部残余应力的测量精准度。
进一步地,步骤S1中,采用实测的应力或应变数据对焊接管道有限元模型进行校准。
对限元模型进行校准能够进一步提高测量的精准度。
进一步地,采用X射线衍射法或盲孔法测量应力或应变数据。
进一步地,采用X射线法对待测量焊接管道的外表面进行残余应力测试时,测试角度包括30°、90°、150°、180°、330°,每个角度均分别测量了焊缝、热影响区、母材三个位置。
进一步地,步骤S2中,机械方法为线切割法。
进一步地,步骤S3中,焊接管道有限元数值模型通过实测管道剖分过程内表面或外表面应力变化进行校准。
对限元模型进行校准能够进一步提高测量的精准度。
进一步地,步骤S3中,采用盲孔法对切割过程的残余应力变化情况进行测量,用于对剖分过程计算进行校验。
进一步地,残余应力变化情况的测量点至少包括距离切割位置的近端和远端位置,盲孔法使用的应变片分别布置在待测量焊接管道的内外表面。
进一步地,步骤S4中,测量方法为逐层剥离的盲孔法。
进一步地,步骤S4中,采用逐层剥离的盲孔法分别对待测量焊接管道的内表面和不同焊接深度的残余应力进行测量。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
1、本发明通过建立基于实际焊接制造过程的有限元模型,模拟获取整体剖分后的管道的残余应力变化值,对测量结果进行补偿修正,最终获得焊接管道的残余应力分布,提高了焊接管道内表面及内部残余应力的测量精准度。
2、本发明能够用于难以直接实施盲孔法的焊接管道内表面及内部残余应力测量,突破了加工手段对盲孔法测量管道残余应力的限制。
3、本发明基于实测数据校准的有限元数值模型,定量获取了机械加工对焊接管道残余应力的影响;盲孔法结合有限元模拟补偿,进一步提高了测量焊接管道内表面及内部残余应力的精准确度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:
图1为本发明的原理框图;
图2为实施例1中焊接管道的有限元数值模型图;
图3a为管道X射线测量位置示意图一;
图3b为管道X射线测量位置示意图二;
图4为管道切割角度示意图;
图5为环焊缝管道剖分后残余应力测量示意图;
图6为管道环焊缝典型内表面残余应力分布;
图7为管道环焊缝10mm深度残余应力分布;
图8为管道环焊缝20mm深度残余应力分布。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1:
如图1所示,一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,包括以下步骤:
S1、基于待测量焊接管道的几何形状、尺寸大小和材料性能建立焊接管道有限元数值模型;
S2、采用机械方法剖分待测量焊接管道,机械方法为线切割法;
S3、以步骤S2相同的剖分角度模拟剖分步骤S1建立的焊接管道有限元数值模型,获取待测量焊接管道剖分引起的管道残余应力变化值;
S4、测量剖分后的管道内表面及内部残余应力,测量方法为逐层剥离的盲孔法;
S5、以步骤S3获得的管道残余应力变化值修正步骤S4获得的管道内表面及内部残余应力获得焊接管道内表面及内部残余应力。
如图2所示,本实施例以TP304不锈钢对接环焊缝管道为对象,进一步介绍本实施例的方法:
采用SYSWELD软件进行数值仿真。建立与焊接管道几何形状、尺寸大小、材料性能一致的三维模型,模拟焊接管道应力场;将不锈钢管道沿60°方向切割成两部分,加工方式为线切割,如图4所示;采用SYSWELD软件进行管道剖分过程有限元模拟,取待测量焊接管道剖分引起的管道残余应力变化值;采用逐层剥离的盲孔法对管道内表面和10mm、20mm深度的残余应力进行测量,测量位置示意图如图5所示。
在本实施例中,管道环焊缝内表面、距内表面10mm深度处、距内表面20mm深度处的残余应力补偿修正后分布见图6、图7、图8所示。焊缝区整体呈现拉应力分布,内表面焊缝中心的残余应力数值约在200MPa至350MPa区间内;距内表面10mm深度焊缝中心处残余应力数值在200MPa至300MPa区间;距内表面20mm深度焊缝中心处残余应力数值在360MPa至450MPa区间。热影响区应力值大于焊缝区与母材区,焊接区域的残余应力分布呈现“M型”,周向和轴向残余应力分布趋势和数值相当。
本实施例通过建立基于实际焊接制造过程的有限元模型,模拟获取整体剖分后的管道的残余应力变化值,对测量结果进行补偿修正,最终获得焊接管道的残余应力分布,提高了焊接管道内表面及内部残余应力的测量精准度。
实施例2:
如图1所示,本实施例基于实施例,步骤S1中,采用实测的应力或应变数据对焊接管道有限元模型进行校准,具体采用X射线衍射法:
采用X射线法对管道外表面进行了残余应力测试,测试角度为30°、90°、150°、180°、330°,每个角度分别测量了焊缝、热影响区、母材三个位置,测点位置如图3a、3b所示。实测数据对有限元模型进行了校准。
步骤S3中,焊接管道有限元数值模型通过实测管道剖分过程内表面或外表面应力变化进行校准:
采用盲孔法对切割过程的残余应力变化情况进行测量,用于对剖分过程计算进行校验。分别选取距离切割位置的近端(90°)和远端(150°)位置进行测量。应变片分别布置在管道的内外表面。
通过校准后的有限元模型,获取不锈钢环焊缝管道剖分造成的应力变化值。
在本实施例中,基于实测数据校准的有限元数值模型,定量获取了机械加工对焊接管道残余应力的影响;盲孔法结合有限元模拟补偿,进一步提高了高精度的焊接管道内表面及内部残余应力。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、基于待测量焊接管道的几何形状、尺寸大小和材料性能建立焊接管道有限元数值模型;
S2、采用机械方法剖分待测量焊接管道;
S3、以步骤S2相同的剖分角度模拟剖分步骤S1建立的焊接管道有限元数值模型,获取待测量焊接管道剖分引起的管道残余应力变化值;
S4、测量剖分后的管道内表面及内部残余应力;
S5、以步骤S3获得的管道残余应力变化值修正步骤S4获得的管道内表面及内部残余应力获得焊接管道内表面及内部残余应力。
2.根据权利要求1所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S1中,采用实测的应力或应变数据对焊接管道有限元模型进行校准。
3.根据权利要求2所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,采用X射线衍射法或盲孔法测量应力或应变数据。
4.根据权利要求3所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,采用X射线法对待测量焊接管道的外表面进行残余应力测试时,测试角度包括30°、90°、150°、180°、330°,每个角度均分别测量了焊缝、热影响区、母材三个位置。
5.根据权利要求1所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S2中,机械方法为线切割法。
6.根据权利要求1所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S3中,焊接管道有限元数值模型通过实测管道剖分过程内表面或外表面应力变化进行校准。
7.根据权利要求6所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S3中,采用盲孔法对切割过程的残余应力变化情况进行测量,用于对剖分过程计算进行校验。
8.根据权利要求7所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,残余应力变化情况的测量点至少包括距离切割位置的近端和远端位置,盲孔法使用的应变片分别布置在待测量焊接管道的内外表面。
9.根据权利要求1所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S4中,测量方法为逐层剥离的盲孔法。
10.根据权利要求9所述的一种测量焊接管道内表面及内部残余应力的方法,其特征在于,步骤S4中,采用逐层剥离的盲孔法分别对待测量焊接管道的内表面和不同焊接深度的残余应力进行测量。
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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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