本發(fā)明屬于管道維搶修領(lǐng)域，特別涉及一種基于徑向應(yīng)力的在役焊接燒穿預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、b型套筒在役焊接修復(fù)是指在不影響管內(nèi)介質(zhì)正常輸送的前提下，采取降壓或不降壓的方式，直接將套管焊接到在役管道上，從而對帶缺陷管道進(jìn)行修復(fù)的方法。在役焊接修復(fù)主要有兩個技術(shù)難點(diǎn)：(1)燒穿；(2)冷裂紋。其中，燒穿是在役焊接的首要問題，已有的燒穿判據(jù)主要是基于在役焊接宏觀燒穿現(xiàn)象提出的，缺乏對機(jī)理的認(rèn)知，至今未形成公認(rèn)、定量的機(jī)理融合型安全評估判據(jù)，主要包括最小壁厚判據(jù)、內(nèi)壁最高溫度判據(jù)、剩余強(qiáng)度判據(jù)和徑向變形判據(jù)。

2、最小比壁厚判據(jù)由api?1104標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用低氫型焊條和正常焊接工藝進(jìn)行在役修復(fù)時允許的最小安全壁厚為6.4mm。sy-t6554-2019標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最小安全壁厚值為12.7mm。最小壁厚主要是基于大量試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏統(tǒng)一性和理論支撐。

3、內(nèi)壁最高溫度判據(jù)為bmi研究所基于battelle模型提出采用低氫型焊條時，管道內(nèi)壁峰值溫度在982℃以下時一般不易發(fā)生燒穿失穩(wěn)，采用纖維素焊條時，內(nèi)壁峰值溫度在760℃以下時一般不易發(fā)生燒穿失穩(wěn)。但該判據(jù)缺乏機(jī)理性解釋和科學(xué)理論支撐，制約判據(jù)的工程推廣。

4、剩余強(qiáng)度判據(jù)是將在役焊接時的熔池高溫區(qū)域等效為常溫下的“體積型缺陷”，然后基于asme?b31.8標(biāo)準(zhǔn)對燒穿失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評估。該判據(jù)僅考慮了焊接帶來的強(qiáng)度損失未考慮焊接應(yīng)力場的影響，預(yù)測的燒穿極限比實(shí)際值小。

5、徑向變形判據(jù)即將發(fā)生燒穿時管道內(nèi)壁一般會形成外凸型徑向變形，徑向變形量越大發(fā)生燒穿的可能性越大，但很難利用徑向變形量進(jìn)行燒穿風(fēng)險(xiǎn)的定量評估。

6、上述判據(jù)缺乏對在役焊接應(yīng)力分布特點(diǎn)和燒穿機(jī)理的深刻認(rèn)知，未實(shí)現(xiàn)機(jī)理與燒穿安全判據(jù)的有機(jī)融合，致使至今未形成公認(rèn)、定量的安全評估判據(jù)或方法，無法對燒穿的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)解釋和定量預(yù)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，第一方面本發(fā)明提出了一種基于徑向應(yīng)力的在役焊接燒穿預(yù)測方法，包括以下步驟：

2、根據(jù)鋼管燒穿工藝試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析確定在役焊接燒穿臨界條件和應(yīng)力分布規(guī)律；所述燒穿臨界條件為管內(nèi)徑向壓力開始大于管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度；所述應(yīng)力分布規(guī)律為內(nèi)壁失效后管道才會燒穿，在役焊接過程中管道內(nèi)壁的徑向應(yīng)力值近似等于管內(nèi)介質(zhì)壓力；

3、根據(jù)所述燒穿臨界條件和應(yīng)力分布規(guī)律確定管內(nèi)介質(zhì)壓力與管道內(nèi)壁徑向應(yīng)力的關(guān)系并建立管內(nèi)介質(zhì)壓力與管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系；

4、根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度的大小關(guān)系判斷待修復(fù)管道是否會燒穿；

5、基于極限工況，將管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系簡化為設(shè)計(jì)壓力-臨界內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表；

6、根據(jù)所述設(shè)計(jì)壓力-臨界內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表直接判定在役焊接管道是否需要考慮燒穿問題，并給出臨界內(nèi)壁峰值溫度。

7、進(jìn)一步地，根據(jù)鋼管燒穿工藝試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析確定在役焊接燒穿臨界條件和應(yīng)力分布規(guī)律包括以下步驟：

8、選定鋼管規(guī)格、試驗(yàn)介質(zhì)及焊接方法，在不同介質(zhì)壓力下分別進(jìn)行帶壓鋼管在役焊接工藝試驗(yàn)，獲取不同介質(zhì)下燒穿臨界工藝參數(shù)；

9、建立b型套筒在役焊接熱-冶金-力順序耦合模型，基于有限元的材料數(shù)據(jù)庫框架導(dǎo)入目標(biāo)管道材料的性能數(shù)據(jù)建立目標(biāo)管道材料數(shù)據(jù)庫，基于試驗(yàn)工況開展數(shù)值仿真，分析在役焊接過程中的在役焊接應(yīng)力分布規(guī)律；

10、根據(jù)所述在役焊接應(yīng)力分布規(guī)律并結(jié)合帶壓鋼管在役焊接工藝試驗(yàn)的燒穿臨界工況確定在役焊接燒穿臨界條件。

11、進(jìn)一步地，所述試驗(yàn)管道規(guī)格選定為φ114mm×4mm，管內(nèi)介質(zhì)為水，焊接方法為tig焊。

12、進(jìn)一步地，所述在役焊接應(yīng)力分布規(guī)律包括溫度場、強(qiáng)度場、應(yīng)力場分布規(guī)律和演化規(guī)律。

13、進(jìn)一步地，判斷所述管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度的大小關(guān)系具體為：

14、判斷在役焊接過程中管內(nèi)介質(zhì)壓力是否大于管道內(nèi)壁處的屈服強(qiáng)度，若管內(nèi)介質(zhì)壓力大于管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度，則會導(dǎo)致燒穿，反之不燒穿。

15、進(jìn)一步地，在役焊接燒穿過程中管壁金屬的強(qiáng)度損失會促進(jìn)燒穿，焊接壓應(yīng)力會抑制燒穿；在所述極限工況下，焊接壓應(yīng)力的抑制作用強(qiáng)于管道強(qiáng)度損失的促進(jìn)作用，在役焊接修復(fù)區(qū)的安全性高于遠(yuǎn)離焊接區(qū)的無缺陷位置，無需考慮在役焊接修復(fù)區(qū)的燒穿問題；

16、所述極限工況為管道內(nèi)壁溫度低于某一溫度時焊接壓應(yīng)力的抑制作用強(qiáng)于管道強(qiáng)度損失的促進(jìn)作用時的工況；其中，所述強(qiáng)度為在役焊接修復(fù)區(qū)的管道全壁厚強(qiáng)度。

17、進(jìn)一步地，基于極限工況，將所述將管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系簡化為設(shè)計(jì)壓力-臨界內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表具體包括以下步驟：

18、根據(jù)管道內(nèi)壁溫度和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，繪制溫度-屈服強(qiáng)度關(guān)系曲線；

19、將設(shè)計(jì)壓力設(shè)定為臨界燒穿極限壓力，管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)壓力時，在役修復(fù)位置的安全性高于無缺陷的其他管體位置，施工人員此時無需考慮管道燒穿問題；

20、查閱所述溫度-屈服強(qiáng)度關(guān)系曲線中屈服強(qiáng)度所對應(yīng)的內(nèi)壁溫度，建立設(shè)計(jì)壓力-內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表。

21、進(jìn)一步地，無缺陷的其他管體位置管道的設(shè)計(jì)壓力的計(jì)算公式如下：

22、p設(shè)計(jì)＝2σsδd

23、式中，p設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)離修復(fù)區(qū)的無缺陷管道的設(shè)計(jì)壓力值，σs、δ和d分別為無缺陷管道的屈服強(qiáng)度、管道壁厚和管徑。

24、第二方面，本發(fā)明提出了一種基于徑向應(yīng)力的在役焊接燒穿預(yù)測系統(tǒng)，包括：

25、第一確定單元，根據(jù)鋼管燒穿工藝試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析確定在役焊接燒穿臨界條件和應(yīng)力分布規(guī)律；所述燒穿臨界條件為管內(nèi)徑向壓力開始大于管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度；所述應(yīng)力分布規(guī)律為內(nèi)壁失效后管道才會燒穿，在役焊接過程中管道內(nèi)壁的徑向應(yīng)力值近似等于管內(nèi)介質(zhì)壓力；

26、第二確定單元，根據(jù)所述燒穿臨界條件和應(yīng)力分布規(guī)律確定管內(nèi)介質(zhì)壓力與管道內(nèi)壁徑向應(yīng)力的關(guān)系并建立管內(nèi)介質(zhì)壓力與管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系；

27、判斷單元，根據(jù)管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度的大小關(guān)系判斷待修復(fù)管道是否會燒穿；

28、簡化單元，基于極限工況，將管內(nèi)介質(zhì)壓力和管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系簡化為設(shè)計(jì)壓力-臨界內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表；

29、預(yù)測單元，根據(jù)所述設(shè)計(jì)壓力-臨界內(nèi)壁峰值溫度關(guān)系表直接判定在役焊接管道是否需要考慮燒穿問題，并給出臨界內(nèi)壁峰值溫度。

30、第三方面，本發(fā)明提出了一種電子設(shè)備，包括處理器、通信接口、存儲器和通信總線，其中，處理器、通信接口和存儲器通過通信總線完成相互間的通信；

31、存儲器，存儲有計(jì)算機(jī)程序；

32、處理器，用于執(zhí)行存儲器所存儲的程序時，實(shí)現(xiàn)所述的基于徑向應(yīng)力的在役焊接燒穿預(yù)測方法。

33、第三方面，本發(fā)明提出了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被運(yùn)行時，執(zhí)行所述的基于徑向應(yīng)力的在役焊接燒穿預(yù)測方法。

34、本發(fā)明的有益效果：

35、本發(fā)明基于對在役焊接應(yīng)力分布特點(diǎn)和燒穿機(jī)理的深刻剖析，提出兩條關(guān)鍵性的在役焊接燒穿條件，即徑向應(yīng)力(絕對值)大于屈服強(qiáng)度是管道內(nèi)壁產(chǎn)生外凸型徑向變形以及燒穿的臨界條件；內(nèi)壁失效后管道才會燒穿，在役焊接過程中管道內(nèi)壁的徑向應(yīng)力值近似等于管內(nèi)介質(zhì)壓力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)理與燒穿安全判據(jù)的融合，為判據(jù)制定提供了科學(xué)理論支撐。

36、本發(fā)明提出的徑向應(yīng)力燒穿預(yù)測方法，僅需獲取在役焊接過程中管道內(nèi)壁的徑向應(yīng)力值與管道內(nèi)壁的屈服強(qiáng)度值，并比較兩者量值就可以直接判斷是否會發(fā)生燒穿，不需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算進(jìn)一步方便了工程應(yīng)用。本發(fā)明還對預(yù)測方法進(jìn)行了進(jìn)一步簡化，建立直接判定方法，即查表法，工程人員直接查表就可以判斷施工時是否需要考慮燒穿問題，并給出特定工況下不發(fā)生燒穿時的臨界內(nèi)壁峰值溫度或臨界燒穿極限壓力，簡化后的方法具有更好的工程應(yīng)用價(jià)值。

37、本發(fā)明提出在役焊接燒穿過程中管壁金屬的強(qiáng)度損失會促進(jìn)燒穿，焊接壓應(yīng)力會抑制燒穿，兩者作用相反。在役修復(fù)位置并非一直是最危險(xiǎn)的位置，當(dāng)管道內(nèi)壁溫度較低時焊接壓應(yīng)力的抑制作用強(qiáng)于強(qiáng)度損失的促進(jìn)作用，該位置的安全性會高于遠(yuǎn)離焊接區(qū)的無缺陷位置，此時無需再考慮燒穿問題，可以將該工況作為一種安全裕度更高的直接判定方法。直接判定方法將設(shè)計(jì)壓力設(shè)定為臨界燒穿極限壓力，管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)壓力時，在役修復(fù)位置的安全性高于無缺陷的其他管體位置，施工人員此時則無需考慮管道燒穿問題，該方法可以使施工人員更方便的判斷燒穿問題。

38、根據(jù)需要，徑向應(yīng)力燒穿預(yù)測方法具有多種擴(kuò)展形式，已有的發(fā)明或研究中認(rèn)為在役焊接修復(fù)位置是較為危險(xiǎn)的位置，焊接熱導(dǎo)致的強(qiáng)度損失會導(dǎo)致該位置成為薄弱環(huán)節(jié)，未考慮焊接壓應(yīng)力對燒穿的抑制作用。在役焊接徑向應(yīng)力燒穿預(yù)測方法指出，當(dāng)管道內(nèi)壁屈服強(qiáng)度大于常溫?zé)o缺陷管道的設(shè)計(jì)壓力時，在役修復(fù)位置的安全性將高于無缺陷的其他管體位置，此時b型套筒在役焊接時不需要考慮燒穿問題，并可以給出無需考慮燒穿時的臨界內(nèi)壁峰值溫度。

39、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。