基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法技术

基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，属于油气管道焊缝内裂纹检测技术。本发明专利技术为了实现利用漏磁法检测在役管道焊缝内裂纹，解决流固磁多场耦合作用下管道焊缝内裂纹扩展表征与评价问题。技术要点：建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型；构建流固磁多场耦合；管道焊缝内裂纹扩展计算；进行管道焊缝内裂纹周围计算域网格重构；进行管道焊缝内裂纹扩展进程中的漏磁场分析；判断管道焊缝是否断裂。本发明专利技术提出的流固磁多场耦合仿真方法，能表征内裂纹扩展程度，判据管道焊缝损伤的危险等级。该方法的实施可对漏磁法检测在役管道焊缝内裂纹这种隐性缺陷的探测与评价、再制造修复或更换油气管道提供技术保障。

Simulation method of internal crack propagation in oil and gas pipeline welds based on fluid solid magnetic field coupling

The simulation method of crack propagation in oil and gas pipeline weld based on fluid-solid magnetic multi-field coupling belongs to the technology of crack detection in oil and gas pipeline weld. In order to realize the detection of cracks in the welded pipe weld by magnetic leakage method, the problem of characterization and evaluation of the crack propagation in the weld seam under the interaction of flow and magnetic field and magnetic field coupling is solved. The main points of the technology are: establish a fluid solid magnetic field model of the crack propagation in the pipe weld, construct the multi field coupling of the fluid solid and magnetic field, the calculation of the crack propagation in the weld seam in the pipe, and reconstruct the grid of the calculation area around the weld cracks in the pipe weld, analyze the leakage field in the process of the crack expansion in the pipe weld, and judge whether the weld is broken or not. . The fluid-solid magnetic multi-field coupling simulation method proposed by the invention can characterize the degree of internal crack propagation and judge the dangerous grade of pipeline weld damage. The implementation of this method can provide technical support for detecting and evaluating the recessive defects, remaking and repairing or replacing oil and gas pipelines in the weld seam of an active pipeline.

【技术实现步骤摘要】
基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法
本专利技术涉及油气集输工程
中的管道焊缝内壁隐性缺陷在役外检测方法，用于定量表征内裂纹扩展过程和管道焊缝损伤程度，具体涉及基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，属于油气管道焊缝内裂纹检测技术。
技术介绍
油气管道作为石油和天然气的输送工具，是连接其生产、运输和销售各环节的重要纽带。石油和天然气均属于国家重点监管危险化学品，为易燃、易爆和毒害性物质，一旦遭遇泄漏遇点火源易发生火灾和爆炸事故；用于输送油气资源的油气管道由于管线长、压力高，管道沿线环境多变等原因，事故发生概率较大，构成重大危险源，故油气管道的安全管理、检测与防护是涉及国家安全生产事故防治的关键技术。在油气管道泄漏爆炸事故中，影响其安全的最主要风险因素之一是管道焊缝开裂，诸多灾难性事故源于在管道流体内压作用下的裂纹快速扩展，并且管道开裂是动态过程，因而开展在役检测管道焊缝裂纹扩展的探测与评价技术具有重要工程意义。当管道焊缝存在内壁裂纹时，由于输送流体侵入内裂纹所在的管道焊缝空间，在流体冲蚀下，加剧内裂纹扩展。在进行漏磁检测时，随着管道内壁内裂纹扩展，流体渗透到内壁内裂纹处，产生渗透压力，加速内裂纹扩展进程，引起管道焊缝结构的变形；结构发生变形后，内裂纹也同步进行扩展，流体进一步渗透，影响了流体渗透压力的分布，再加速内裂纹的扩展。这是一个管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合过程，即强耦合关系。随着内裂纹扩展，流体压力分布是一个动态变化过程。同时，在管道焊缝内裂纹扩展中，管内及焊缝内裂纹处流体域、管道焊缝外部及励磁结构周围空气域发生改变，影响了内裂纹扩展进程中的管道焊缝磁场分布；磁场的磁力对管道焊缝结构变形的影响较小，可忽略不计。这是一个管道焊缝结构对磁场的单向磁结构耦合过程，即弱耦合关系。因而，漏磁法检测管道焊缝内裂纹扩展是流固磁多场耦合过程。经过文献检索，国内外学者对输流管道流固耦合技术方面做了大量研究工作，管道焊缝内裂纹与输送流体流固耦合在施加磁力场下进行流固磁多场耦合方法处于技术空白阶段。2017年东北石油大学崔巍专利技术了漏磁法检测在役管道焊缝裂纹扩展的磁-结构耦合方法(申请号：201710988314.0)，提出的是应用漏磁法检测在役管道焊缝外壁裂纹扩展时的磁与结构的耦合方法。该专利技术是以管道焊缝外壁裂纹为检测对象，只涉及管道焊缝结构的位移场与磁场两个场之间的耦合，未涉及管道焊缝内裂纹检测及流固磁多场耦合技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，以实现利用漏磁法检测在役管道焊缝内裂纹，解决流固磁多场耦合作用下管道焊缝内裂纹扩展表征与评价问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法的实现过程为：步骤一、建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型；(1)构造管道焊缝的结构模型；a、根据管道规格、材质和焊缝尺寸，选择平面应变模型、选用有限元软件ANSYS中二维PLANE182结构单元，建立管道焊缝结构应力分析模型；b、预定义初始内裂纹：内裂纹初始长度为Lb，指定裂纹尖端的位置T；在裂纹尖端T沿径向到管道外壁焊缝中心预定义扩展路径，预扩展路径的长度为Lp；c、将预扩展路径Lp离散成INTER202界面单元；d、在界面单元处选用TARGE169为目标单元，选用CONTA171为接触单元，创建接触关系；(2)构造管道外的励磁结构模型；a、励磁结构材料中永磁铁选用铷铁硼(Nd-Fe-B)，衔铁、极靴选用工业纯铁，根据励磁结构尺寸，选用二维PLANE13磁场单元，建立励磁结构的磁场分析模型；b、将管内及焊缝内裂纹处流体离散成二维PLANE13磁场单元；c、管道焊缝外部及励磁结构周围空气域离散成二维PLANE13磁场单元；(3)施加管道流体压力载荷及边界条件；a、在管道内壁施加最终载荷子步的流体压力为Pend；b、在TARGE169目标单元与CONTA171接触单元上施加流体渗透压力Pend，定义渗透流体压力的起始点A、B点和终止点C、D点；起始点A、B点为预扩展路径起始位置的裂纹两侧对应的网格，终止点C、D点为预扩展路径终止位置的管道外壁处两侧对应的网格；c、施加位移约束；(4)施加励磁载荷及边界条件；a、沿永磁体高度方向施加永磁体矫顽力；b、选择INFIN110远场单元，在计算域四周施加远场边界；步骤二、构建流固磁多场耦合；多物理场模型中结构和磁场的单元离散过程是相互独立的，建立流固磁多场耦合用于实现后续步骤的管道焊缝内裂纹扩展的耦合计算；建立流固磁多场耦合过程如下：a、建立流固磁多场耦合有限元方程，如下式：式中：K为结构刚度矩阵；u为节点位移矢量；F(u)为节点载荷向量；Km(u)为磁刚度矩阵；A为节点磁位矢量；ψ为磁流密度矩阵；式(1)中节点载荷向量F(u)为F(u)＝FPi(u)+Fmg(u)(2)式中：FPi(u)为管道内壁及内裂纹处流体压力载荷；Fmg(u)为磁力载荷；b、提出双向流固耦合形式，动态施加流体压力载荷；随着管道内壁内裂纹扩展，流体渗透到内壁内裂纹处，产生渗透压力，式(2)中流体压力载荷FPi(u)的施加加速内裂纹扩展进程，引起管道焊缝结构的变形，导致节点位移矢量u的改变；由于u的改变，结构发生变形后，内裂纹也同步进行扩展，流体进一步渗透，影响了流体压力载荷FPi(u)的分布，再加速内裂纹的扩展。随着内裂纹扩展，流体压力分布是一个动态变化过程，FPi(u)也是随内裂纹扩展动态施加，FPi(u)是u的函数。这是管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合过程，即强耦合关系。c、提出单向磁结构耦合形式；在管道焊缝内裂纹扩展中，管内及焊缝内裂纹处流体域、管道焊缝外部及励磁结构周围空气域发生改变，节点位移矢量u的改变影响了内裂纹扩展进程中的管道焊缝磁场分布，式(1)中磁刚度矩阵Km(u)是u的函数；磁场的磁力对管道焊缝结构变形的影响较小，式(2)中Fmg(u)忽略不计。这是管道焊缝结构对磁场的单向磁结构耦合过程，即弱耦合关系。d、内裂纹扩展、内裂纹失稳断裂均是管道焊缝拓扑结构突变的过程，为提高收敛的稳定性，耗能比设置为0.01～0.5；步骤三、管道焊缝内裂纹扩展计算；a、设置载荷步，初始载荷步1000，最大载荷步107，最小载荷步100；b、有限元软件ANSYS求解过程中，打开自动载荷步；在第一个载荷步，施加流体压力Pi＝Pend/1000；若易收敛：Pi＝Pend/(100～1000)；若不易收敛，Pi＝Pend/(1000～107)；c、校验内裂纹扩展长度Ls，施加流体渗透压力Ps；如果内裂纹扩展长度Ls＝0，内裂纹未扩展，在内裂纹初始长度Lb处，流体渗透压力Ps＝Pi，(Ls＝0，L∈(0，Lb))(3)式中：L为内裂纹处管道内壁沿径向到管道外壁焊缝中心的距离变量；预扩展路径长度Lp处，流体渗透压力为：Ps＝0，(Ls＝0，L∈(Lb，Lb+Lp))(4)如果Ls＞0，内裂纹开始扩展，在内裂纹Lb+Ls处，流体渗透压力为：Ps＝Pi，(Ls＞0，L∈(0，Lb+Ls))(5)在预扩展路径的未扩展Lp-Ls处，流体渗透压力为：Ps＝0，(Ls＞0，L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：步骤一、利用有限元软件建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型；步骤二、构建流固磁多场耦合：多物理场模型中结构和磁场的单元离散过程是相互独立的，建立流固磁多场耦合用于实现后续步骤的管道焊缝内裂纹扩展的耦合计算；建立流固磁多场耦合过程如下：a、建立流固磁多场耦合有限元方程，如下式：

【技术特征摘要】
1.一种基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：步骤一、利用有限元软件建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型；步骤二、构建流固磁多场耦合：多物理场模型中结构和磁场的单元离散过程是相互独立的，建立流固磁多场耦合用于实现后续步骤的管道焊缝内裂纹扩展的耦合计算；建立流固磁多场耦合过程如下：a、建立流固磁多场耦合有限元方程，如下式：式中：K为结构刚度矩阵；u为节点位移矢量；F(u)为节点载荷向量；Km(u)为磁刚度矩阵；A为节点磁位矢量；ψ为磁流密度矩阵；式(1)中节点载荷向量F(u)为F(u)＝FPi(u)+Fmg(u)(2)式中：FPi(u)为管道内壁及内裂纹处流体压力载荷；Fmg(u)为磁力载荷；b、提出双向流固耦合形式，动态施加流体压力载荷；管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合过程为：随着管道内壁内裂纹扩展，流体渗透到内壁内裂纹处，产生渗透压力，式(2)中流体压力载荷FPi(u)的施加加速内裂纹扩展进程，引起管道焊缝结构的变形，导致节点位移矢量u的改变；由于u的改变，结构发生变形后，内裂纹也同步进行扩展，流体进一步渗透，影响了流体压力载荷FPi(u)的分布，再加速内裂纹的扩展；随着内裂纹扩展，流体压力分布是一个动态变化过程，FPi(u)也是随内裂纹扩展动态施加，FPi(u)是u的函数；c、提出单向磁结构耦合形式；管道焊缝结构对磁场的单向磁结构耦合过程为：在管道焊缝内裂纹扩展中，管内及焊缝内裂纹处流体域、管道焊缝外部及励磁结构周围空气域发生改变，节点位移矢量u的改变影响内裂纹扩展进程中的管道焊缝磁场分布，式(1)中磁刚度矩阵Km(u)是u的函数；磁场的磁力对管道焊缝结构变形的影响较小，式(2)中Fmg(u)忽略不计；d、内裂纹扩展、内裂纹失稳断裂均是管道焊缝拓扑结构突变的过程，设置耗能比以提高收敛的稳定性；步骤三、管道焊缝内裂纹扩展计算；a、设置载荷步：初始载荷步，最大载荷步，最小载荷步；b、有限元软件ANSYS求解过程中，打开自动载荷步；在第一个载荷步，施加流体压力Pi＝Pend/初始载荷步；若易收敛：Pi＝Pend/(最小载荷步～初始载荷步)；若不易收敛，Pi＝Pend/(初始载荷步～最大载荷步)；Pend表示管道内壁施加最终载荷子步的流体压力；c、校验内裂纹扩展长度Ls，施加流体渗透压力Ps；如果内裂纹扩展长度Ls＝0，内裂纹未扩展，在内裂纹初始长度Lb处，流体渗透压力Ps＝Pi,(Ls＝0,L∈(0,Lb))(3)式中：L为内裂纹处管道内壁沿径向到管道外壁焊缝中心的距离变量；预扩展路径长度Lp处，流体渗透压力为：Ps＝0,(Ls＝0,L∈(Lb,Lb+Lp))(4)如果Ls＞0，内裂纹开始扩展，在内裂纹Lb+Ls处，流体渗透压力为：Ps＝Pi,(Ls＞0,L∈(0,Lb+Ls))(5)在预扩展路径的未扩展Lp-Ls处，流体渗透压力为：Ps＝0,(Ls＞0,L∈(Lb+Ls,Lb+Lp))(6)式(3)～(6)中，内裂纹扩展过程中流体渗透压力Ps和管内壁流体压力Pi共同构成了式(2)中流体压力载荷FPi(u)，忽略磁力载荷Fmg(u)，每载荷子步重新生成式(1)中节点载荷向量F(u)，完成流体压力载荷的动态施加，进一步影响管道焊缝结构变形u，实现管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合；d、采用VCCT内裂纹扩展算法和断裂力学中能量释放率准则进行内裂纹扩展计算；在当前载荷子步i，计算裂纹尖端的能量释放率Gi，与所选取的管道材料的临界能量释放率GIC进行对比，如果Gi≥GIC，内裂纹扩展；步骤四、进行管道焊缝内裂纹周围计算域网格重构；a、在流固耦合作用下，根据管道焊缝和内裂纹扩展过程中管道内壁结构的变形量：内裂纹的张开距离为Lo、扩展长度为L...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔巍，张强，张玉会，徐晔，马春阳，张佳贺，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23