不銹鋼管道在線焊接的溫度場

1、不銹鋼管道在線焊接的溫度場摘要 設(shè)計了試驗裝置，采用熱電偶對在線焊接時的溫度場進行了測定，運用有限元法對其進行了數(shù)值模擬。模擬中考慮了材料隨溫度變化的性能以及外界對流和輻射的影響，內(nèi)部介質(zhì)流動對焊接溫度場的影響定義為強制對流換熱邊界條件。溫度場的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，采用數(shù)值模擬方法可以對在線焊接時的溫度場進行較準(zhǔn)確的模擬。關(guān)鍵詞 在線焊接 溫度場 試驗 數(shù)值模擬中圖分類號 TG404Temperature Field of In-service Welding onto Stainless Steel PipesAbstract: Temperature field of in-ser

2、vice welding was measured by thermal-couples and simulated by FEM. The temperature dependent material properties were considered as well as the convection and radiation boundary conditions. The effect of internal flowing media on temperature field was defined as a forced boundary condition. The nume

3、rical and experimental results accord with each other perfectly. It can be concluded that the temperature field of in-service welding can be simulated accurately by FEM.Keywords: in-service welding; temperature field; experiment; numerical simulation不停輸帶壓開孔技術(shù)由于能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，已經(jīng)越來越受到人們的青睞，其應(yīng)用已涉及到諸多工業(yè)部門，目

4、前我國已經(jīng)研制出了國際領(lǐng)先的帶壓開孔機，然而對于帶壓開孔技術(shù)的基礎(chǔ)研究如對關(guān)鍵技術(shù)在線焊接的研究則相對滯后。在線焊接由于在焊接時管道內(nèi)部有介質(zhì)的傳輸，主要存在兩個困難，一是焊接時的局部高溫會使材料暫時失去強度，在介質(zhì)壓力作用下就可能引起燒穿 Sabapathy P N, Wahab M A, Painter M J. The prediction of burn-through during in-service welding of gas pipelines J. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2000, 77:

5、 669-677.；另一是管內(nèi)流動的介質(zhì)會引起熱損失，從而加速焊縫的冷卻，在碳當(dāng)量較高的材料中，這會導(dǎo)致由于熱影響區(qū)硬度的增加而引起的氫致開裂。上述兩個問題的解決都依賴于準(zhǔn)確獲得在線焊接時的溫度場，目前國外已有對在線焊接研究的報道，美國石油學(xué)會制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)API1104-1999，對允許進行在線焊接的情況作了規(guī)定，給出了一些操作時的指導(dǎo)方法及注意事項，但國內(nèi)尚無此類標(biāo)準(zhǔn)，因此迫切需要對帶壓開孔的相關(guān)基礎(chǔ)理論進行研究，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)安全施工。國內(nèi)一些研究機構(gòu)對在線焊接時的氫致開裂特征、焊接接頭的微觀組織和硬度等進行了研究 陳懷寧, 林泉洪, 錢百年. 運行管道在線焊接工藝研究之評述J. 焊

6、管, 1997，20(3)：1-8, 61., 陳懷寧, 錢百年, 祝時昌等. 運行管道在線焊接時的氫致開裂與防止方法J. 焊接學(xué)報，1998，19(1)：29-36., 陳玉華, 靳海成, 董立先. 運行管線在役焊接試驗研究J. 石油大學(xué)學(xué)報, 2004, 28(6)：72-74, 79., 陳玉華, 王勇, 韓彬等. X70鋼在役焊接熱循環(huán)及粗晶區(qū)組織性能研究J. 兵器材料科學(xué)與工程, 2005, 28(4) ：16-19.，而對于在線焊接時燒穿的研究，南京工業(yè)大學(xué) Xue X L, Wang Z L, Sang Z F et al. 3-D simulation of temperatu

7、re field and burn-through prediction during in-service welding onto SS304 pipes A. Proceedings of the International Conference on Advanced Design and ManufactureC. Nottingham: Nottingham Trent University, 2006. 611-615.在中石化總公司的資助下進行了一些研究工作。本文設(shè)計了試驗裝置對304不銹鋼管道在線焊接時的溫度場進行了試驗研究，并運用有限元法對其溫度場進行數(shù)值模擬，以掌握在線焊

8、接時的溫度分布，探討在一定范圍內(nèi)將計算機數(shù)值模擬技術(shù)取代試驗方法來研究在線焊接的相關(guān)問題。1 試驗研究1.1 試驗?zāi)Ｐ捅疚脑O(shè)計了一套試驗裝置用于試驗研究，來自高壓水管的水通過安裝有閥門的引水管后，經(jīng)大小頭和穩(wěn)流管段送入試驗管段，之后又經(jīng)過穩(wěn)流管段、大小頭和排水管排出，試驗裝置示意圖見圖1。其中試驗管段尺寸為f325´10mm，擬焊接的支管尺寸為f159´7mm，管材為304不銹鋼，焊接采用焊條電弧焊，使用f3.2mm的A132焊條焊接兩道，焊接順序見圖2，第14段構(gòu)成第一道焊縫，第58段構(gòu)成第二道焊縫。焊接電流為142A，電壓為37.7V，環(huán)境溫度為3.5。采用康創(chuàng)1010

9、系列時差式超聲波流量計測定管內(nèi)流速，測定值為0.3m/s，實測水壓為0.34MPa，水溫為6.2。圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of the testing unit圖2 焊接順序 Fig.2 Welding sequence1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于焊接過程中熱源是移動的，焊縫及其附近的溫度變化急劇，故對焊接溫度場的測試系統(tǒng)提出了很高的要求，如對溫度變化的反應(yīng)速度要快，采集系統(tǒng)的測量精度要高等。熱電偶利用熱電效應(yīng)原理進行溫度測量 游伯坤. 溫度測量與儀表M. 北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社, 1990.，但熱電勢的信號很小，E型熱電偶在1000時的熱電勢只有77mV，而在焊接

10、現(xiàn)場，干擾信號較多，主要是焊接時焊接電流、電壓的波動。試件一般與焊機相連組成焊接回路，試件上有電勢存在，焊機空載時，電勢較大，起弧時電勢突然減小，突變的電信號產(chǎn)生較強的磁場，不僅使測量信號發(fā)生突變，還可能損壞測量儀器；焊接時，雖然試件上的電壓、電流值比較穩(wěn)定，但是波動值依然比熱電偶測量的電壓值大的多。另外，焊接時試件上的電壓值達(dá)幾十伏，比測量信號大3個數(shù)量級，這些因素影響了熱電偶測溫的準(zhǔn)確性。為了消除干擾，本文設(shè)計了如下方案：（1）熱電偶表面添加屏蔽層，并將屏蔽層接地，消除交變信號產(chǎn)生的電磁干擾；（2）兩根熱電偶線固定于試件上同一點，盡量減少焊接回路中電信號進入測量回路；（3）由于焊接時外部主

11、要的干擾信號是交變的，通過在測量回路末端添加合適的電容來實現(xiàn)濾波；（4）采用精度高的測量儀器。在本試驗研究中，采用北京波譜公司生產(chǎn)的WS-U60132B型數(shù)據(jù)采集儀，精度較高，且本身具有數(shù)字濾波系統(tǒng)，保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖3是在線焊接試驗的熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition system采用E型熱電偶測定焊接時的溫度場，沿主管的縱向和橫向截面布置了24根熱電偶，布點圖見圖4，試驗時在布置好的熱電偶上覆蓋一層鐵皮以防止焊接時的溶渣流到熱電偶上將其損壞。圖4 模型布點圖Fig.4 Measuring points of the model在線

12、焊接時，試件溫度升高，熱電偶回路中產(chǎn)生熱電勢，記錄焊接不同時刻的熱電勢，經(jīng)過轉(zhuǎn)換就可以得到不同時刻各測點的溫度值，進而得到試件的焊接溫度場。由于熱電偶參考端非冰點，采用下式進行熱電勢溫度的轉(zhuǎn)換 李淑華, 李寶彥. 焊接溫度場的研究J. 大慶石油學(xué)院學(xué)報, 1989, 4(13)：44-49.：E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)式中：E(T,0)為熱電偶的測量端溫度為T、參考端溫度為0時的熱電勢； E(T,T0)為實測的熱電勢，它是測量端溫度為T、參考端溫度為T0時的熱電勢； E(T0,0)為熱電偶參考端為T0所應(yīng)加的熱電勢。2 數(shù)值模擬2.1 溫度場控制方程三維瞬態(tài)焊接溫度場控制方程

13、為 （）式中，為密度；為比熱；為哈密爾頓（Hamilton）算子；k為導(dǎo)熱系數(shù)；為內(nèi)熱源強度；T為溫度；t為時間。管線在運行時，管內(nèi)介質(zhì)有流速、溫度、壓力等特性，必然會對在線焊接產(chǎn)生影響。流動的介質(zhì)會帶走焊接時的熱量，而介質(zhì)壓力作用于由于局部高溫導(dǎo)致的有效壁厚減薄區(qū)域時可能會使管線失效。因此，必須充分考慮管內(nèi)介質(zhì)對帶壓開孔操作安全性的影響。本文假設(shè)管內(nèi)流體與管壁間的換熱系數(shù)為一常數(shù)，對于水等低粘度液體在管內(nèi)強制對流，可通過如下準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式獲得換熱系數(shù)： （2）式中，Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。2.2 有限元模型取試驗?zāi)Ｐ偷囊欢芜M行數(shù)值模擬，考慮304不銹鋼隨溫度變化的材料性能

14、Ribicky E F, Schmueser D W,Stonesifer R W et al. A finite-element model for residual stresses and deflections in girth-butt welded pipes J. ASME Journal of Pressure Vessel Technology, 1978, 100(8): 256-262.。建模時沿主管長度方向取800mm，支管取300mm，采用八節(jié)點實體單元，對主管及支管進行網(wǎng)格劃分，僅在有較大溫度梯度的區(qū)域即焊縫附近使用較細(xì)的網(wǎng)格而在離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域則使用較大的單元尺寸

15、 Artem P. Computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding and their mitigation techniques D. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2001.，有限元網(wǎng)格劃分見圖5，模型共有節(jié)點26420個，單元19521個。計算時采用并行運算技術(shù)以有效減少計算時間。圖5 分析模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshes o

16、f the analysis model2.3 邊界條件焊接時的移動熱源通過假定焊縫單元的內(nèi)部熱生成施加到焊縫上，將有效的焊接熱輸入量換算成焊縫單元在單位體積、單位時間上的熱生成強度 Teng T L, Fung C P, Chang P H et al. Analysis of residual stresses and distortion in T-joint filler welds J. International Journal of Pressure Vessel and Piping，2001, 78：523-538.。熔池熔化和凝固時，要吸收和放出熱量，故需要考慮相變的影響。

17、假定熔化潛熱等于凝固潛熱，并通過比熱容量的上升或下降的變化來計算潛熱對結(jié)構(gòu)熱焓值的影響。取熔化潛熱247kJ/kg，固相線溫度1673，液相線溫度1723。焊接過程中，焊件與外界同時存在著對流和輻射換熱，在所有外表面均施加對流和輻射換熱邊界條件，取換熱系數(shù)為13 W/(m2·K)，黑度為0.85，環(huán)境溫度為3.5，主管內(nèi)部為強制對流邊界條件，計算得的換熱系數(shù)為756 W/(m2·K)。3 比較及討論在線焊接時由于內(nèi)部介質(zhì)的流動帶走了大量熱量，試件上的溫度隨著離開焊縫距離的增大而急劇下降。圖6所示為測點3、15的試驗與模擬結(jié)果，試驗結(jié)果中t3表示焊接第3段以及更換焊條和清除焊

18、渣的時間，t45表示焊接第4、5段以及更換焊條和清除焊渣的時間，其他以此類推，而模擬結(jié)果中的時間僅是焊接的時間。可以看出，測點3的峰值溫度接近250，而在正常條件下焊接時可達(dá)450左右 王志亮, 薛小龍, 桑芝富. 間斷焊溫度場的試驗研究J, 焊接, 2005(8)：20-25.。這是由于在線焊接時流動的介質(zhì)帶走了焊接時的熱量，導(dǎo)致傳至點3的熱量大大減少。圖中點3的試驗結(jié)果在1000s后趨于平緩，而模擬結(jié)果在600s后即趨于平緩，各點出現(xiàn)峰值的時間不同，這是由于模擬時沒有考慮更換焊條以及清除焊渣的操作時間。測點15的峰值溫度在300左右，亦遠(yuǎn)低于正常焊接條件的情形。點15的試驗結(jié)果出現(xiàn)700的峰值是由于焊接時熔渣流到該測點附近引起的。從第一道焊時該點的熱循環(huán)曲線來看，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果有著很好的一致性。 圖6 試驗與模擬結(jié)果的比較Fig.6 Compariso