1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。不銹鋼管道在線(xiàn)焊接的溫度場(chǎng)不銹鋼管道在線(xiàn)焊接的溫度場(chǎng)不銹鋼管道在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)焊接 溫度場(chǎng) 試驗(yàn) 數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào) TG404Temperature Field of In-service

2、 Welding onto Stainless Steel PipesAbstract: Temperature field of in-service 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 o

3、n temperature field was defined as a forced boundary condition. The numerical 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

4、; numerical simulation99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(mén)，目前我國(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(xiàn)焊接的研究則相對(duì)滯后。在線(xiàn)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 pi

5、pelines J. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2000, 77: 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(lài)于準(zhǔn)確獲得在線(xiàn)焊接時(shí)的溫度場(chǎng)，目前國(guó)外已有對(duì)在線(xiàn)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(xiàn)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(lèi)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)

6、內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)在線(xiàn)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(qián)百年. 運(yùn)行管道在線(xiàn)焊接工藝研究之評(píng)述J. 焊管, 1997，20(3)：1-8, 61., 陳懷寧, 錢(qián)百年, 祝時(shí)昌等. 運(yùn)行管道在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)焊接時(shí)燒

7、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 temperature 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

8、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(xiàn)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(xiàn)焊接時(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(xiàn)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(mén)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

9、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

10、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

11、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(xiàn)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(xiàn)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

12、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(xiàn)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(mén)、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

13、度為T(mén)、參考端溫度為T(mén)0時(shí)的熱電勢(shì)； E(T0,0)為熱電偶參考端為T(mén)0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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)

14、： （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 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

15、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 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

16、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 of 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

17、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。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(xiàn)溫度1673，液相線(xiàn)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(xiàn)焊接時(shí)由于內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)帶

18、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(lèi)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(xiàn)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(xiàn)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 Compa