Improvement of methodology for calculating residual welding stresses in weld zone of main pipelines

Abstract

Магистральные трубопроводы свариваются в стык из отдельных труб. При этом в окрестности сварного шва возникают значительные остаточные сварочные напряжения, которые могут превосходить эксплуатационные напряжения. Соответственно, адекватный расчет на прочность и живучесть трубопроводов возможен только с учетом указанных остаточных напряжений. При этом решение задачи вычисления остаточных сварочных напряжений в упругопластической постановке без учета деформаций ползучести приводит к существенно завышенным результатам расчета. Целью настоящей работы является создание математической модели, позволяющей определить остаточные сварочные напряжения с учетом деформаций ползучести. Для этого методом конечных разностей решена нелинейная нестационарная задача теплопроводности с использованием граничных условий третьего рода. Моделирование кинетики превращения аустенита в феррито-перлит и бейнит в неизотермических условиях сварки проведено на основании теории изокинетических реакций. Расчет остаточных сварочных напряжений осуществлен посредством решения методом конечных элементов задачи термоупруговязкопластичности для материала с нестационарной структурой. Для получения уравнений состояния при пластичности и ползучести проведены экспериментальные исследования на пластичность и ползучесть трубной стали. Разработанные программные средства позволили рассчитать остаточные сварочные напряжения в реальном магистральном трубопроводе. Представленная авторами усовершенствованная методика расчета остаточных сварочных напряжений позволит более точно определять остаточный ресурс магистральных трубопроводов в окрестности поперечного сварного шва. Main pipelines are butt welded from separate pipes. In this case, significant residual welding stresses arise near the weld, the value of which can exceed the operational stresses. Therefore, an adequate calculation of the strength and survivability of main pipelines is possible only taking into account these residual stresses. At the same time, solving the problem of calculating residual welding stresses in an elastic-plastic formulation without taking into account creep deformations leads to significantly overestimated calculation results. Consequently, the topic of the article is relevant, since it is devoted to the improvement of the method for calculating residual welding stresses in butt-welding of main pipelines, taking into account creep deformations. To solve the problem posed, the authors carried out the solution of a nonlinear nonstationary problem by the finite difference method using boundary conditions of the third kind. Modeling of the kinetics of transformation of austenite into ferrite-pearlite and bainite under non-isothermal conditions during welding was carried out on the basis of the theory of isokinetic reactions. The calculation of residual welding stresses was carried out by solving the problem of thermoelasto-viscoplasticity for a material with a non-stationary structure by the finite element method. To obtain the equations of state for plasticity and creep, the authors carried out experimental studies on the plasticity and creep for pipe steel. The developed software made it possible to calculate the residual welding stresses in a real main pipeline. The study showed that the use of an elastoplastic medium in the calculation of the model significantly overestimates the results of calculating the residual welding stresses in comparison with the use of the elastic-viscoplastic medium model. The improved method of calculating residual welding stresses presented by the authors will make it possible to more accurately determine the residual life of the main pipelines in the vicinity of the transverse weld.