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X65管线厚板控冷过程的相变效应研究与数值模拟

张德丰  
【摘要】:当今,在石油、天然气的输送中,管道运输因具有经济性、安全性、连续性等明显优势而获得广泛应用。由于高强韧性的X65管线厚板是现今乃至今后较长一段时间内长输管道建设的主体材料,因此,其生产工艺已成为相关领域内最具活力的一个研究热点。控制冷却是X65管线厚板常见的热处理工艺,目前普遍采用的控制冷却工艺常为三段式控冷,即管线厚板要先后经历“无水空冷”、“层流水的连续冷却”和“出水空冷”三个阶段方完成控冷过程。由于X65管线厚板控冷时因上下表面的不对称控冷会在板厚方向产生不对称分布的高值残余应力,进而形成严重的横向翘曲,受到板宽较窄的限制,残余应力和横向翘曲难以用矫直方式彻底消除,这不仅严重影响了该产品的板型质量,同时由于长输管道常处于低温、高压、易腐蚀等极端恶劣环境,较高的残余应力还为X65管线在后续使用时诱发应力腐蚀开裂埋下安全隐患。因此,研究并有效控制X65管线厚板控冷时产生的残余应力,对提高该产品的板型质量、延长使用寿命,将具有十分重要的意义。 鉴于X65管线厚板控冷过程的高温、连续等特性,将生产中断进行现场实验研究,成本过高;以及受到板厚的限制,X射线衍射、中子散射等传统检测手段又无法对板内的温度、应力和应变进行连续而整体的分析;且目前也没有相对成熟的理论可对控冷过程进行直接计算;因此,本研究采用基于有限元的数值模拟方法对X65管线厚板的控冷过程进行研究。 尽管此前的材料科学工作者对同类问题进行了大量有益的尝试,但他们常将控冷过程中由相变引起的相变潜热、相变膨胀、TRIP效应(TRIP-Transformation Induced Plasticity)等相变效应予以一定程度的简化甚至忽略。因此,他们研究时使用的模型并不完全适用于X65管线厚板控冷过程。本研究首先确定了X65管线厚板控冷时由奥氏体A-针状铁素体F相变诱发的相变潜热、相变膨胀和TRIP效应等相变效应的影响,进而通过理论研究明确了用于描述各相变效应的理论模型,并通过开发USDFLD、HETVAL、UEXPAN和TRIP子程序拓展了ABAQUS软件分析相变效应的功能;接着开发了考虑上述相变效应的2个有限元模型,并进行15组模拟实验初步明确了模拟控冷时考虑相变效应的必要性;接着用根据X65管线厚板实际的控冷工艺开发的热力耦合有限元模型,具体研究并明确了相变潜热、相变膨胀和TRIP效应等相变效应对控冷的影响和机制;最后通过将参照的与实际的控冷工艺的模拟结果进行比较分析,确定了实际使用的不对称控冷工艺对控冷的影响,进而提出优化的控冷工艺,并评估了优化工艺减小残余应力的效果;主要结论如下: (1)开发的热力耦合有限元模型因考虑了X65管线厚板控冷时涉及的弹塑性变形、热膨胀、传导、对流、辐射和相变效应(包括相变潜热、相变膨胀(?)TRIP效应)等目前所知的所有相关物理影响因素,可用于研究X65管线厚板的控冷过程。 (2)相变效应对X65管线厚板的控冷具有重要影响,模拟时必须考虑。 相变潜热使相变期间的板温升高52.7℃、使中部和下表面的温降分别减缓50%、25%,使控冷结束的板温升高44℃。 相变膨胀通过产生(723MPa,-479MPa)的组织应力影响板厚方向的应力,该应力甚至可逆转中部和下表面附近的应力状态,而相变潜热主要通过小幅减小应力峰值、TRIP效应主要通过迁移压应力峰分别影响板厚方向的应力。 相变膨胀和相变潜热通过产生均值为正的总体应变以减小板厚方向的负总体应变,而TRIP效应则相反,但均使总体应变趋于均匀。 (3)实际生产使用的不对称控冷工艺是产生高值残余应力的重要原因,而优化的控冷工艺可显著降低残余应力。 实际生产使用的不对称控冷工艺使X65管线厚板形成了不对称分布的温度、应力、应变,进而在板厚方向产生峰值为(350MPa、-272MPa)的残余应力,而优化的对称控冷工艺使厚板中部的压应力峰值和下表面的拉应力峰值分别减小114MPa、116MPa)。


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