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1、中国科学E辑技术科学2006,36(9):991~1001991*在线焊接管道设计压力的影响因素①②③①薛小龙朱加贵桑芝富(①南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009;②上海市特种设备监督检验技术研究院,上海200062l;③南京扬子石化检修安装有限责任公司,南京210048)摘要提出了预测在线焊接管道设计压力及烧穿的方法.运用有限元法对不同参数下在线焊接时的温度场进行了数值模拟,内部介质流动对焊接温度场的影响通过确定介质与管壁间的换热系数来考虑,并根据温度计算结果,获得了管道的剩余强度因子和设计压力,进而判定管壁是否烧穿.研究表明:在线焊接管道的设计压力随着焊接热输入的增大而降低
2、,当热输入增大到一定程度时,曲线趋于平缓;随着流速的增大,在线焊接管道的剩余强度因子及所能承受的设计压力呈上升趋势,且在一定范围内增大明显,故应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件;剩余强度因子随着壁厚的增加而升高,当壁厚增大到一定程度时,在线焊接管道的剩余强度因子增大速度减缓,此后继续增加壁厚,则对材料的利用率有所下降.根据设计压力与各参数的关系曲线可以获得安全操作条件.关键词在线焊接热输入介质流速管壁厚度设计压力在线焊接无须停止管道或设备内的介质传输,可以减少因停产而造成的巨大损失,可广泛应用于带压开孔安装支管的焊接、套筒修复焊接以及在运行管道[1,2]上直接堆焊以解决厚度损
3、失和局部机械破坏等问题.目前在线焊接主要面临两个难题:一是由于焊接过程中的局部高温,使材料局部失去其强度,从而在内压作用下可能发生烧穿或爆破;另外管道内流动的介质会带走大量的热量,加速了焊缝的冷却,从而增加了焊缝热影响区产生裂纹的可能性.[3,4]陈怀宁等人在完成国内外管道焊接施工和维护工艺调研的基础上,进行了在线焊接时的氢致开裂特征和防止路线的研究,取得了一些有价值的数据和结论.而对于在线焊接时烧穿的研究,国内尚无相关文献资料,国外也仅有探索收稿日期:2005-10-14;接受日期:2006-01-04*中国石油化工集团公司基金(304001)和南京工业大学博士学位论文创新基金(BSCX
4、200511)资助项目SCIENCEINCHINASer.ETechnologicalSciences992中国科学E辑技术科学第36卷性研究的报道.影响在线焊接时烧穿的因素很多,如焊接热输入、介质流速、管壁厚度等,本文运用有限元法对在变化上述参数情况下的压力管道在线焊接时的温度场进行了数值模拟,并根据温度计算结果确定在线焊接管道的设计压力,进而判定烧穿发生的可能性,研究各参数对管道设计压力和烧穿的影响.1数学模型的建立1.1温度场控制方程在区域Ω中热过程的控制方程为dTρλcTp=∇∇[]+Q,(1)dt式中,ρ为密度,cp为比热,λ为导热系数,Q为内热源强度,T为温度,t为时间.焊接温
5、度场控制方程的热流边界条件为(ⅰ)对流换热产生的边界热流:qTcc=−α(T0c),(2)式中,αc为对流换热系数,T0c为零对流时的参考温度.(ⅱ)辐射换热引起的边界热流:44qTrr=−σε00(T0),(3)式中,ε0和σ0分别为黑度(发射率)和黑体辐射常数,T0r为零辐射时的参考温度.1.2管内介质的影响管线在运行时,管内介质有流速、温度、压力等特性,必然会对在线焊接产生影响.流动的介质会带走焊接时的热量,而介质压力作用于由于局部高温导致的有效壁厚减薄区域时可能会使管线失效.因此,必须充分考虑管内介质对在线焊接安全性的影响.本文假设特定流体以一定流速在管内流动时,其与管壁间的换热系
6、数为一[5]常数,对于水等低黏度液体在管内强制对流,可通过如下准数关联式获得换热系数:0.80.4Nu=0.023RePr,(4)式中,Nu为Nusselt数;Re为Reynolds数;Pr为Prandtl数.2设计压力的确定2.1试验研究试验模型主管尺寸为φ325mm×10mm,支管尺寸为φ159mm×7mm,管材为304不锈钢,焊接采用焊条电弧焊,使用φ2.5mm的A132焊条焊接两道,焊接电SCIENCEINCHINASer.ETechnologicalSciences标准分享网www.bzfxw.com免费下载第9期薛小龙等:在线焊接管道设计压力的影响因素993流为142A,电压为
7、36V,环境温度为3℃.采用康创1010系列时差式超声波流量计测定管内流速,测定值为0.3m/s,实测水压为0.34MPa,水温为6.2℃.图1所示为在线焊接试验现场.图1试验现场采用www.bzfxw.comE型热电偶测定在线焊接时的温度场,沿主管的纵向和横向截面布置了24根热电偶,布点图见图2,试验时在布置好的热电偶上覆盖一层铁皮以防止焊接时的溶渣流到热电偶上将其损坏.图2模型布点图(单位:mm)2.2数值模拟取试验
