CN115270548A - 环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法、设备及存储介质 - Google Patents

环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及油气管道传输技术领域，具体涉及一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法、设备及存储介质。本发明的方法包括以下步骤：获得含缺口圆棒在拉伸载荷作用下的载荷‑位移曲线；建立含缺口跨焊缝拉伸试样的有限元模型；输入塑性应变，并假设该塑性应变对应的初始应力值，得到该材料特性参数条件下含缺口圆棒的载荷‑位移曲线；继续定义塑性应变，并确定对应的应力；如此循环，直到能够反演出试样断裂之前的载荷‑位移曲线关系；采用全应变与塑性应变的力学转换关系，得到能够描述焊缝金属沿管道轴向全应力应变的数据。本发明具备操作简洁、精度高且适用范围广的优点，可快速获得管道真实安全状态，有利于保障油气管道的运行安全性。

Description

环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及油气管道传输技术领域，具体涉及一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法、设备及存储介质。
背景技术
油气管道作为地下生命线工程在保障能源安全方面起到了至关重要的作用，随着近年来我国能源需求量日益增加，油气管网的建设也在不断发展。因此，如何提高管道的本质安全水平是管网系统蓬勃发展背景下亟需解决的关键问题。
管道环焊缝是整个油气管网系统的薄弱环节。环焊缝作为焊接结构不可避免的会存在一些焊接缺陷，给管道环焊缝的本质安全带来巨大威胁。为提高管道环焊缝的承载能力，工业界在设计阶段重点采用提高环焊缝强度的方法，致力于从材料角度降低外载荷作用下环焊缝位置的变形集中，因此需要准确量化焊接成型后的焊缝金属强度。对于管道环焊缝，其威胁主要来自于管道安装与运行产生的温差、内压产生的泊松效应以及其他附加载荷等共同导致的管道轴向应力，因此获得焊缝金属沿管道轴向的力学性能是评价管道环焊缝结构安全的重要基础。由于焊接成型后的焊缝金属沿管道轴向的宽度仅有1cm左右，因此目前管道工业界一般采取沿管道环向在焊缝金属中加工出一根标距段是全焊缝金属的小圆棒或狗骨形试件，以该测试结果表征焊缝金属的强度。需要注意的是，这种测试方法获得的是焊缝金属沿管道环向的应力应变曲线，无法直接用于指导受轴向载荷作用下环焊缝的安全评估。近年来基于数字图像相关技术的材料应力应变测试方法在工程中得到了较为广泛的应用，但是对于高强匹配的焊缝金属，常规的跨焊缝拉伸试样最终颈缩于母材或热影响区位置，即使采用基于数字图像相关技术的局部材料应力应变测试方法，也仅能获得焊缝金属沿管道轴向部分的应力应变曲线。此外，在低强匹配条件下，通过数字图像相关技术获得的颈缩阶段的应力应变曲线仍需采用现有的半经验模型进行修正，而现有的半经验模型适用范围与精度有限，修正过程复杂繁琐。
综上，目前缺乏对于环焊接头焊缝金属沿管道轴向全应力应变曲线的测试方法，大大限制了管道本质安全保护水平的提升。因此研究适用范围广、精度高的环焊接头焊缝金属沿管道轴向应力应变的测试方法具有重要的理论意义和工程价值。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供了一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其具备操作简洁、精度高且适用范围广的优点，可快速获得管道真实安全状态，有利于保障油气管道的运行安全性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、开展含缺口圆棒试样的拉伸试验，并获得含缺口圆棒在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线，标定焊缝金属的弹性模量E，确定焊缝金属材料的弹性极限σ(0)；
S2、根据含缺口圆棒试样的尺寸，建立含缺口跨焊缝拉伸试样的有限元模型；
S3、输入塑性应变εp(1)＝TH，其中TH为设定的百分比增量；并假设该塑性应变εp(1)对应的初始应力值σ(1)＝σ(0)+D，其中D为设定的数值增量，单位为MPa；采用有限元计算得到该材料特性参数条件下含缺口圆棒的载荷-位移曲线；
S4、定义塑性应变σ(2)＝σ(1)+TH，并重新进入步骤S3以确定εp(2)对应的应力σ(2)；如此循环，直到εp(i)能够反演出试样断裂之前的载荷-位移曲线关系；
S5、在获得一系列焊缝金属塑性应变εp(i)对应的应力值σ(i)基础上，采用全应变与塑性应变的力学转换关系，即ε(i)＝εp(i)+σ(i)/E计算应力值σ(i)对应的全应变ε(i)，从而得到了能够描述焊缝金属沿管道轴向全应力应变的数据，包括E、ε(i)、σ(i)。
优选的，所述步骤S1中，开展含缺口圆棒试样的拉伸试验后，采用外加引伸计测量方法获得含缺口圆棒在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线，根据国家标准GB/T228.1标定焊缝金属的弹性模量E，确定焊缝金属材料的弹性极限σ(0)。
优选的，所述步骤S2中，建立含缺口跨焊缝拉伸试样的有限元模型时，材料特性包括弹性参数与塑性参数，其中弹性参数包括弹性模量E，塑性参数包括塑性应变与应力。
优选的，所述步骤S2中，对焊缝金属以外的区域设置纯弹性，其参数参考焊缝金属标定结果，不考虑其塑性特性；对焊缝金属部分输入泊松比和步骤S1标定的弹性模量E，在焊缝金属材料的塑性部分输入步骤S1标定的弹性极限及其对应的初始塑性应变0。
优选的，所述S3中，采用有限元计算得到该材料特性参数条件下含缺口圆棒的载荷-位移曲线时，其中位移采取试验过程中相同引伸计位置对应的节点位移作为结果，并在有限元结果标定出试样焊缝位置塑性应变达到εp(1)的时刻，同时标定出该时刻对应的位移U(1)与载荷P(1)FEM；随后，标定试验结果中相同位移U(1)条件下的载荷P(1)exp，并比较P(1)exp与P(1)FEM大小的差异，如果二者的相对误差超过设定误差值，则调整优化σ(1)的取值，并将新的σ(1)重新代入到有限元模型中再次计算含缺口圆棒的载荷-位移响应曲线，直到P(1)exp与P(1)FEM两者的相对误差小于设定误差值。
优选的，所述设定误差值为5％。
优选的，所述步骤S3中，TH为5％，D为1MPa。
优选的，所述步骤S1中，在开展含缺口圆棒试样的拉伸试验之前，先从管道环焊缝上切割圆棒形式的跨焊缝拉伸试样，并在试样的焊缝金属位置预制缺口，并确保整个缺口位于焊缝金属内部。
优选的，一种设备，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行所述的方法。
优选的，一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行所述的方法。
本发明的有益效果在于：
1)、通过上述方案，本发明能够测试环焊接头焊缝金属沿管道轴向的全应力应变曲线，并具备精度高且适用范围广的优点。
2)、本发明适用于不同的焊缝金属强度匹配条件，且对焊缝区宽度、试样直径、缺口直径无具体要求，只需保证缺口位于焊缝金属内部且试样断于缺口位置即可，操作简便快捷。
3)、本发明提出的试验部分开展起来非常简单，无需采用数字图像相关技术等复杂测试手段，可进一步提升方法的简便性。
4)、本发明能够直接输出准确的全应力应变曲线，无需采用类似于Bridgman的半经验修正公式或其他的修正方法，适用范围非常广。
5)、本发明能够为工程中管道环焊缝的断裂评估提供准确的材料特性数据，从而通过评价准确获得管道真实安全状态，对于保障油气管道的运行安全具有重要现实意义。
6)、焊缝金属的应力应变曲线反映了其力学性能，是目前油气管道工业界评定焊口是否满足焊接工艺评定要求的重要数据，同时也决定了管道环焊缝的安全水平。本发明提供的焊缝金属应力应变曲线测试方法解决了目前焊接工艺评定时针对焊缝金属沿管道轴向应力应变曲线无法有效测试的不足，能够为管道工程建设质量的把控提供关键技术保障。
附图说明
图1为本发明的实施例1的工作流程框图；
图2为实施例的步骤①中的含缺口圆棒拉伸试样的结构示意图；
图3为实施例的步骤①的第一次含缺口圆棒拉伸试验的试验结果图；
图4为实施例的步骤②所获得的有限元模型示意图；
图5为实施例的步骤③中，塑性应变刚超过0.5％时有限元塑性应变云图；
图6为实施例的步骤③中的塑性应变-应力曲线图；
图7为实施例的步骤③中的有限元模拟结果与试验结果的对比图；
图8为实施例的步骤④中最终得到的全应力应变曲线图；
图9为本发明的设备的结构示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
10-设备
11-处理器 12-存储器 13-输入装置 14-输出装置
具体实施方式
本发明的具体实施流程参照图1所示；而为便于理解，此处结合实施例及图2-8，对本发明的具体工作流程作以下进一步描述：
实施例
①设计含缺口圆棒拉伸试样如图2所示，添加引伸计，开展含缺口圆棒拉伸试验，获得载荷、引伸计位移曲线，如图3所示。
通过试验标定得到焊缝金属的弹性模量约为213GPa，弹性极限约为574MPa。
②建立含缺口圆棒跨焊缝拉伸的轴对称有限元模型，如图3所示。在材料弹性模量与泊松比中输入试验标定的数值，并在塑性材料输入部分输入标定的弹性应力及其塑性应变(574，0)，输入焊缝塑性数据的第一组初始数值(575，0.5％)
③如图4所示，通过有限元计算得到当圆棒塑性应变达到0.5％时，引伸计对应的位移为0.0454mm，通过有限元计算得到的加载力为21011.4N，而试验得到的载荷-引伸计位移曲线中载荷为21054.12N，误差0.2029％，小于0.5％的设定误差值。增加塑性应变值值1％，并设置该塑性应变对应的应力值为576MPa，同理通过有限元计算得到塑性应变达到1％时对应的引伸计位移为0.0553mm，对应有限元的加载力为22618.5N，试验结果为22914.2N，相对误差为1.29％，超出0.5％的设定误差值，继续增加应力值，直至应力为630MPa时，相对误差为0.5％，刚好满足误差限要求，从而得到1％塑性应变对应的应力为630MPa。同理，按相同的方式最终得到应力与塑性应变数据曲线如图5所示。通过有限元计算得到的结果与试验结果对比如图6所示。
④根据步骤③得到的塑性应变与应力数据，再依据塑性应变、弹性应变与全应变的关系，即ε(i)＝εp(i)+σ(i)/E，可得到该焊缝金属全应力应变曲线图，具体如图8所示。
下面，参考图9来描述本发明所用的设备；该设备可以是可移动设备本身，或与其独立的单机设备，该单机设备可以与可移动设备以及超声医疗设备进行通信，以从它们接收所采集到的输入信号，并向其发送所选择的目标决策行为。
如图9所示，设备10包括一个或多个处理器11和相应的存储器12。
处理器11可以是中央处理单元或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其他形式的处理单元，并且可以控制设备10中的其他组件以执行期望的功能。存储器12可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器11可以运行所述程序指令，以实现上文所述的本申请的各个实施例的决策行为决策方法以及/或者其他期望的功能。
在示例中，设备10还可以包括：输入装置13和输出装置14，这些组件通过总线系统和/或其他形式的连接机构(未示出)互连。例如，该输入设备13还可以包括例如键盘、鼠标等等。该输出装置14可以包括例如显示器、扬声器、打印机、以及通信网络及其所连接的远程输出设备等等。
当然，为了简化，图9中仅示出了该设备10中与本申请有关的组件中的一些，省略了诸如总线、输入/输出接口等等的组件。除此之外，根据具体应用情况，设备10还可以包括任何其他适当的组件。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以延及计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的决策行为决策方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是可读计算机存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述具体实施流程部分中描述的根据本申请各种实施例的决策行为决策方法中的步骤。
所述计算机存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者存储介质。存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术均为公知技术。

Claims (10)

1.一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、开展含缺口圆棒试样的拉伸试验，并获得含缺口圆棒在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线，标定焊缝金属的弹性模量E，确定焊缝金属材料的弹性极限σ(0)；
S2、根据含缺口圆棒试样的尺寸，建立含缺口跨焊缝拉伸试样的有限元模型；
S3、输入塑性应变εp(1)＝TH，其中TH为设定的百分比增量；并假设该塑性应变εp(1)对应的初始应力值σ(1)＝σ(0)+D，其中D为设定的数值增量，单位为MPa；采用有限元计算得到该材料特性参数条件下含缺口圆棒的载荷-位移曲线；
S4、定义塑性应变σ(2)＝σ(1)+TH，并重新进入步骤S3以确定εp(2)对应的应力σ(2)；如此循环，直到εp(i)能够反演出试样断裂之前的载荷-位移曲线关系；
S5、在获得一系列焊缝金属塑性应变εp(i)对应的应力值σ(i)基础上，采用全应变与塑性应变的力学转换关系，即ε(i)＝εp(i)+σ(i)/E计算应力值σ(i)对应的全应变ε(i)，从而得到了能够描述焊缝金属沿管道轴向全应力应变的数据，包括E、ε(i)、σ(i)。
2.根据权利要求1所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，开展含缺口圆棒试样的拉伸试验后，采用外加引伸计测量方法获得含缺口圆棒在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线，根据国家标准GB/T228.1标定焊缝金属的弹性模量E，确定焊缝金属材料的弹性极限σ(0)。
3.根据权利要求2所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，建立含缺口跨焊缝拉伸试样的有限元模型时，材料特性包括弹性参数与塑性参数，其中弹性参数包括弹性模量E，塑性参数包括塑性应变与应力。
4.根据权利要求3所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤S2中，对焊缝金属以外的区域设置纯弹性，其参数参考焊缝金属标定结果，不考虑其塑性特性；对焊缝金属部分输入泊松比和步骤S1标定的弹性模量E，在焊缝金属材料的塑性部分输入步骤S1标定的弹性极限及其对应的初始塑性应变0。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述S3中，采用有限元计算得到该材料特性参数条件下含缺口圆棒的载荷-位移曲线时，其中位移采取试验过程中相同引伸计位置对应的节点位移作为结果，并在有限元结果标定出试样焊缝位置塑性应变达到εp(1)的时刻，同时标定出该时刻对应的位移U(1)与载荷P(1)FEM；随后，标定试验结果中相同位移U(1)条件下的载荷P(1)exp，并比较P(1)exp与P(1)FEM大小的差异，如果二者的相对误差超过设定误差值，则调整优化σ(1)的取值，并将新的σ(1)重新代入到有限元模型中再次计算含缺口圆棒的载荷-位移响应曲线，直到P(1)exp与P(1)FEM两者的相对误差小于设定误差值。
6.根据权利要求5所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述设定误差值为5％。
7.根据权利要求5所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤S3中，TH为5％，D为1MPa。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种环焊接头焊缝金属全应力应变测试方法，其特征在于：所述步骤S1中，在开展含缺口圆棒试样的拉伸试验之前，先从管道环焊缝上切割圆棒形式的跨焊缝拉伸试样，并在试样的焊缝金属位置预制缺口，并确保整个缺口位于焊缝金属内部。
9.一种设备，其特征在于，包括处理器、输入设备、输出设备和存储器，所述处理器、输入设备、输出设备和存储器依次连接，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1-4任一项所述的方法。
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