水下焊槍微型排水罩仿真計算與優化設計

周 凱，李連波，許 威，彭 宇，武 明，陳金儀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070） ①

水下焊接［1－3］主要用于修復水下結構物、管道等。目前水下焊接可分為濕法焊接、局部干法焊接及干法焊接。由于局部干法焊接方法高效、設備及操作簡易，是目前水下焊接研究的重點方向之一。陸上用半自動焊槍無法直接在水下使用，需要對焊槍進行改造，方法是外部加微型排水罩。水下焊槍的微型排水罩主要作用是通過向排水罩內輸送CO2保護氣，確保焊件表面形成一定的干燥區域，從而保證焊接在CO2保護氣形成的干燥環境中進行。潛水員可從排水罩頂部觀察焊接過程，進行操作。由于焊材采用的是藥芯焊絲，會產生焊接煙塵，如果排水罩前端的焊接煙塵回流至排水罩腔內，將會影響潛水員視線，從而影響焊接質量。因此，微型排水罩必須保證吹入的CO2保護氣不會造成焊接煙塵的回流。本文重點對水下焊槍的微型排水罩進行結構設計，并利用流體力學仿真軟件對容器內流場進行模擬分析，根據計算結果進行了結構優化，使其結構更好地滿足工程要求。

1 設計方案

本設計的關鍵是選取合適的排水罩進氣口位置、數量和進氣角度；排水罩的外部形狀并不是制約排水罩出口處氣體沒有回流的關鍵因素（經計算，方錐形內的流場趨勢同回轉類殼體一致），因此排水罩可依據壓力容器的承壓特點，采用耐壓的回轉類殼體。

1.1 進氣口位置

水下焊槍微型排水罩進氣口位置選取的不同，將對其內部流場分布產生較大影響。進口位置可選擇在排水罩的上部。

1） 切向進口 當進氣口為切向進入時，根據旋風分離的理論，氣體將在內部的中間位置產生向上部回流的流場，其余部分向下流出排水罩，因此切向進口是不能滿足要求的。

2） 徑向進口 當進氣口徑向進入時，產生的回流比切向進口小很多，同時再通過調整進氣口的個數、方位和角度來優化設計。如果是多個進氣口，應盡量采用對稱布置的形式。

1.2 進氣口數量

單進氣口通過流體力學仿真模擬，在排水罩的出口處有部分氣體回流，不能滿足要求。因此需要在其對稱方向增加1個進氣口，以防止流場內氣體回流的情況。超過2個進口將增加建造費用和復雜程度，不宜采用。

1.3 進氣口角度

雙徑向方向進氣口的流場并不是最佳流場，需要在豎直面內對進氣口向下有1個傾角，這樣使氣體在出口處更容易流出。根據鋼制壓力容器GB150中等面積法對開孔的要求，當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應≤2.0［4］，即進氣口同水平方向的夾角應在0°～60°之間。由于設計的主要目的是保證排水罩內氣體向下流動，容器內流動應盡量穩定，減少出口處擾動。同時，考慮流動與結構設計要求［5］，進氣口同水平方向的最優夾角范圍還應進一步優化。

1.4 設計結構

水下焊槍微型排水罩結構如圖1所示，氣體進口中心線距頂面20mm，入口內徑10mm，入口水平向下傾角40°，入口壓力0.62MPa，出口壓力0.6 MPa，入口總流量25L／min。

圖1 水下焊槍的微型排水罩結構

2 流場分析計算

2.1 幾何模型建立及網格劃分

水下焊槍微型排水罩幾何模型根據其AUTOCAD圖紙，在GAMBIT軟件中建立三維幾何模型，并做網格劃分處理。為更精確地模擬氣體在容器內的流動情況，本文采用三維模型。采用Tet／Hybrid四面體混合單元，單元類型TGrid［6］。三維模型網格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型網格劃分

仿真模擬利用流體仿真計算軟件FLUENT，主要設置如下：

1） 求解器 認為流場在一定時間后達到穩定，求解穩態流場。求解器采用Segregated，隱式求解［7］。

2） 流體模型 本次流體為氣體，湍流流動，采用工程中比較常用的Reynolds平均法中的渦粘模型，可 選 擇 Spalar-Almaras 方 程 或 k-epsilion 方程［8－9］。通過試算，Spalar-Almaras方程迭代收斂次數比k-epsilion方程少1／2，并且兩者計算結果基本一致。因此計算模型選擇Spalar-Almaras模型。

3） 邊界條件 入口邊界條件：pressure inlet；出口邊界條件：pressure outlet。

2.2 仿真結果分析

采用以上仿真模型重點對排水罩內部流場進行仿真分析，分析結果如圖3～5所示。圖3為單入口和雙入口內部流場情況，本次模型入口角度選擇40°。圖3可見：當選擇入口夾角角度較小時，容易造成氣流對沖，擾動較大；當選擇入口夾角角度較大且接近60°時，相對制造難度加大，并且結構強度沒有小角度的好，因此入口夾角易在30°～50°之間，本次設計選擇40°。在出口段，流動已基本穩定，擾動較小。

圖3 排水罩流場

圖4 排水罩底部出口z方向流速

由圖4a可見：排水罩底部有部分氣體回流，底部z方向速度部分為正（即為向上流動），特別在x軸上靠近入口位置氣體向上流動最為明顯。因此不宜采用單入口進氣方案，該方案不能滿足設計要求。由圖4b可見：底部z方向的速度皆為負值（即為向下流動），沒有發生回流，且在出口段流動已經趨于穩定，符合設計要求。

圖5 雙入口豎直剖面流速

由圖5可見：氣室的上部流速要比氣室的底部流速快很多。下部流體流動比較穩定，擾動較小，完全符合排水罩設計要求，因此雙進氣口模型滿足設計要求。

3 結語

針對水下焊槍微型排水罩的設計要求，本文在充分考慮容器強度設計標準的前提下，重點對水下焊槍的微型排水罩進行了結構設計，主要包括進氣口的位置、數量和進氣角度的選取，并采用流體力學仿真分析的方法對不同設計參數情況下容器內流場進行了模擬分析。結果表明：水下焊槍微型排水罩宜采用雙向進氣口，并且進氣口向下要有傾角，傾角在30°～50°之間時能夠達到較好效果，滿足工程需要。

［1］ 俞建榮，張奕林，蔣力培.水下焊接技術及其發展［J］.焊接技術，2001（4）：2-4.

［2］ Jyotsan Dutta Majumdar.Underwater welding present status and future scope［J］.Journal Of Naval Architecture And Marine Engineering，2006（3）：39-48.

［3］ 陳家慶，焦向東，周燦豐，等.水下破損管道維修技術及其相關問題［J］.石油礦場機械2004，33（1）：33-37.

［4］ GB 150—2011，鋼制壓力容器［S］.

［5］ HG／T 20583—2011，鋼制化工容器結構設計規定［S］.

［6］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］ 王瑞金.FLUENT技術基礎與應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［8］ 王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［9］ 胡志堅，馬青芳，邵 強.連續循環系統壓力腔流場數值模擬分析［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：13-18.