[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及油气集输工程技术领域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。

背景技术

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发明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。该发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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；