不銹鋼管道在線焊接的溫度場(chǎng)

1、不銹鋼管道在線焊接的溫度場(chǎng)摘要 設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，采用熱電偶對(duì)在線焊接時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)定，運(yùn)用有限元法對(duì)其進(jìn)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(duì)流和輻射的影響，內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響定義為強(qiáng)制對(duì)流換熱邊界條件。溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，采用數(shù)值模擬方法可以對(duì)在線焊接時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行較準(zhǔn)確的模擬。關(guān)鍵詞 在線焊接 溫度場(chǎng) 試驗(yàn) 數(shù)值模擬中圖分類號(hào) 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(kāi)孔技術(shù)由于能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，已經(jīng)越來(lái)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(guó)已經(jīng)研制出了國(guó)際領(lǐng)先的帶壓開(kāi)孔機(jī)，然而對(duì)于帶壓開(kāi)孔技術(shù)的基礎(chǔ)研究如對(duì)關(guān)鍵技術(shù)在線焊接的研究則相對(duì)滯后。在線焊接由于在焊接時(shí)管道內(nèi)部有介質(zhì)的傳輸，主要存在兩個(gè)困難，一是焊接時(shí)的局部高溫會(huì)使材料暫時(shí)失去強(qiáng)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(dòng)的介質(zhì)會(huì)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(huì)導(dǎo)致由于熱影響區(qū)硬度的增加而引起的氫致開(kāi)裂。上述兩個(gè)問(wèn)題的解決都依賴于準(zhǔn)確獲得在線焊接時(shí)的溫度場(chǎng)，目前國(guó)外已有對(duì)在線焊接研究的報(bào)道，美國(guó)石油學(xué)會(huì)制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)API1104-1999，對(duì)允許進(jìn)行在線焊接的情況作了規(guī)定，給出了一些操作時(shí)的指導(dǎo)方法及注意事項(xiàng)，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)此類標(biāo)準(zhǔn)，因此迫切需要對(duì)帶壓開(kāi)孔的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)安全施工。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)在線焊接時(shí)的氫致開(kāi)裂特征、焊接接頭的微觀組織和硬度等進(jìn)行了研究 陳懷寧, 林泉洪, 錢百年. 運(yùn)行管道在線焊接工藝研究之評(píng)述J. 焊

6、管, 1997，20(3)：1-8, 61., 陳懷寧, 錢百年, 祝時(shí)昌等. 運(yùn)行管道在線焊接時(shí)的氫致開(kāi)裂與防止方法J. 焊接學(xué)報(bào)，1998，19(1)：29-36., 陳玉華, 靳海成, 董立先. 運(yùn)行管線在役焊接試驗(yàn)研究J. 石油大學(xué)學(xué)報(bào), 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(duì)于在線焊接時(shí)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(jìn)行了一些研究工作。本文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置對(duì)304不銹鋼管道在線焊接時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并運(yùn)用有限元法對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以掌握在線焊

8、接時(shí)的溫度分布，探討在一定范圍內(nèi)將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)取代試驗(yàn)方法來(lái)研究在線焊接的相關(guān)問(wèn)題。1 試驗(yàn)研究1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅疚脑O(shè)計(jì)了一套試驗(yàn)裝置用于試驗(yàn)研究，來(lái)自高壓水管的水通過(guò)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(yàn)管段，之后又經(jīng)過(guò)穩(wěn)流管段、大小頭和排水管排出，試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。其中試驗(yàn)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(jiàn)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(shí)差式超聲波流量計(jì)測(cè)定管內(nèi)流速，測(cè)定值為0.3m/s，實(shí)測(cè)水壓為0.34MPa，水溫為6.2。圖1 試驗(yàn)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(guò)程中熱源是移動(dòng)的，焊縫及其附近的溫度變化急劇，故對(duì)焊接溫度場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)提出了很高的要求，如對(duì)溫度變化的反應(yīng)速度要快，采集系統(tǒng)的測(cè)量精度要高等。熱電偶利用熱電效應(yīng)原理進(jìn)行溫度測(cè)量 游伯坤. 溫度測(cè)量與儀表M. 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1990.，但熱電勢(shì)的信號(hào)很小，E型熱電偶在1000時(shí)的熱電勢(shì)只有77mV，而在焊接

10、現(xiàn)場(chǎng)，干擾信號(hào)較多，主要是焊接時(shí)焊接電流、電壓的波動(dòng)。試件一般與焊機(jī)相連組成焊接回路，試件上有電勢(shì)存在，焊機(jī)空載時(shí)，電勢(shì)較大，起弧時(shí)電勢(shì)突然減小，突變的電信號(hào)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，不僅使測(cè)量信號(hào)發(fā)生突變，還可能損壞測(cè)量?jī)x器；焊接時(shí)，雖然試件上的電壓、電流值比較穩(wěn)定，但是波動(dòng)值依然比熱電偶測(cè)量的電壓值大的多。另外，焊接時(shí)試件上的電壓值達(dá)幾十伏，比測(cè)量信號(hào)大3個(gè)數(shù)量級(jí)，這些因素影響了熱電偶測(cè)溫的準(zhǔn)確性。為了消除干擾，本文設(shè)計(jì)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(hào)產(chǎn)生的電磁干擾；（2）兩根熱電偶線固定于試件上同一點(diǎn)，盡量減少焊接回路中電信號(hào)進(jìn)入測(cè)量回路；（3）由于焊接時(shí)外部主

11、要的干擾信號(hào)是交變的，通過(guò)在測(cè)量回路末端添加合適的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波；（4）采用精度高的測(cè)量?jī)x器。在本試驗(yàn)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖3是在線焊接試驗(yàn)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(cè)定焊接時(shí)的溫度場(chǎng)，沿主管的縱向和橫向截面布置了24根熱電偶，布點(diǎn)圖見(jiàn)圖4，試驗(yàn)時(shí)在布置好的熱電偶上覆蓋一層鐵皮以防止焊接時(shí)的溶渣流到熱電偶上將其損壞。圖4 模型布點(diǎn)圖Fig.4 Measuring points of the model在線

12、焊接時(shí)，試件溫度升高，熱電偶回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，記錄焊接不同時(shí)刻的熱電勢(shì)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換就可以得到不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的溫度值，進(jìn)而得到試件的焊接溫度場(chǎng)。由于熱電偶參考端非冰點(diǎn)，采用下式進(jìn)行熱電勢(shì)溫度的轉(zhuǎn)換 李淑華, 李寶彥. 焊接溫度場(chǎng)的研究J. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào), 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(cè)量端溫度為T、參考端溫度為0時(shí)的熱電勢(shì)； E(T,T0)為實(shí)測(cè)的熱電勢(shì)，它是測(cè)量端溫度為T、參考端溫度為T0時(shí)的熱電勢(shì)； E(T0,0)為熱電偶參考端為T0所應(yīng)加的熱電勢(shì)。2 數(shù)值模擬2.1 溫度場(chǎng)控制方程三維瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)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(qiáng)度；T為溫度；t為時(shí)間。管線在運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)介質(zhì)有流速、溫度、壓力等特性，必然會(huì)對(duì)在線焊接產(chǎn)生影響。流動(dòng)的介質(zhì)會(huì)帶走焊接時(shí)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(shí)可能會(huì)使管線失效。因此，必須充分考慮管內(nèi)介質(zhì)對(duì)帶壓開(kāi)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(duì)于水等低粘度液體在管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流，可通過(guò)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?cái)?shù)。2.2 有限元模型取試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊欢芜M(jìn)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(shí)沿主管長(zhǎng)度方向取800mm，支管取300mm，采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，對(duì)主管及支管進(jìn)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(jiàn)圖5，模型共有節(jié)點(diǎn)26420個(gè)，單元19521個(gè)。計(jì)算時(shí)采用并行運(yùn)算技術(shù)以有效減少計(jì)算時(shí)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(shí)的移動(dòng)熱源通過(guò)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(shí)間上的熱生成強(qiáng)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(shí)，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(guò)比熱容量的上升或下降的變化來(lái)計(jì)算潛熱對(duì)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(guò)程中，焊件與外界同時(shí)存在著對(duì)流和輻射換熱，在所有外表面均施加對(duì)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(qiáng)制對(duì)流邊界條件，計(jì)算得的換熱系數(shù)為756 W/(m2·K)。3 比較及討論在線焊接時(shí)由于內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)帶走了大量熱量，試件上的溫度隨著離開(kāi)焊縫距離的增大而急劇下降。圖6所示為測(cè)點(diǎn)3、15的試驗(yàn)與模擬結(jié)果，試驗(yàn)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(shí)間，t45表示焊接第4、5段以及更換焊條和清除焊渣的時(shí)間，其他以此類推，而模擬結(jié)果中的時(shí)間僅是焊接的時(shí)間?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)3的峰值溫度接近250，而在正常條件下焊接時(shí)可達(dá)450左右 王志亮, 薛小龍, 桑芝富. 間斷焊溫度場(chǎng)的試驗(yàn)研究J, 焊接, 2005(8)：20-25.。這是由于在線焊接時(shí)流動(dòng)的介質(zhì)帶走了焊接時(shí)的熱量，導(dǎo)致傳至點(diǎn)3的熱量大大減少。圖中點(diǎn)3的試驗(yàn)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(diǎn)出現(xiàn)峰值的時(shí)間不同，這是由于模擬時(shí)沒(méi)有考慮更換焊條以及清除焊渣的操作時(shí)間。測(cè)點(diǎn)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(diǎn)15的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)700的峰值是由于焊接時(shí)熔渣流到該測(cè)點(diǎn)附近引起的。從第一道焊時(shí)該點(diǎn)的熱循環(huán)曲線來(lái)看，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果有著很好的一致性。 圖6 試驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較Fig.6 Compariso