焊接熱輸入對(duì)承壓管道焊接修復(fù)的影響

盧玉秀* 李 強(qiáng) 曹永峰

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、油氣管網(wǎng)日益完善，管道運(yùn)輸在油氣資源合理分配與利用方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在長(zhǎng)期運(yùn)行的情況下，管道不可避免會(huì)產(chǎn)生破損、腐蝕或老化，安全、高效地完成承壓管道的修復(fù)工作也就尤為重要。管道修復(fù)安全受到焊接工藝、施工環(huán)境、操作人員等諸多因素的影響。本文采用有限元分析軟件，對(duì)不同熱輸入情況下的承壓管道修復(fù)過(guò)程進(jìn)行模擬，研究熱輸入對(duì)焊接溫度場(chǎng)、徑向變形等參數(shù)的影響規(guī)律，分析不同熱輸入情況下被修復(fù)管道的最大承壓能力，可為焊接修復(fù)過(guò)程提供工藝指導(dǎo)。

1 管道修復(fù)數(shù)值模型建立

1.1 幾何模型建立

與常規(guī)焊接相比，承壓管道在役焊接修復(fù)在不停輸?shù)那闆r下完成，容易出現(xiàn)管道燒穿和氫致開(kāi)裂[1],其中燒穿是在役焊接過(guò)程中首先需要解決的問(wèn)題。管道是否發(fā)生燒穿失穩(wěn)主要取決于第一道堆焊層，同時(shí)考慮到修復(fù)管道受力與結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)性，建立如圖1所示的分析模型，其管徑為460 mm，壁厚為6 mm。結(jié)合管道的實(shí)際修復(fù)過(guò)程，有限元分析過(guò)程中焊接熱源采用與實(shí)際相符的雙橢球熱源[2]，管道內(nèi)外表面采用熱輻射換熱和對(duì)流換熱，同時(shí)，在管道截面添加剛性約束，在管道內(nèi)表面添加均布?jí)毫?。模擬分析過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)（如表1 所示），在保持焊接電壓、焊接速度、介質(zhì)流速（5 m/s）不變的情況下，通過(guò)改變焊接電流獲得不同的焊接熱輸入。

圖1 管道在役焊接有限元分析模型

表1 焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果及分析

2.1 不同熱輸入下管道的溫度場(chǎng)分布

圖2 為不同熱輸入情況下管道的溫度場(chǎng)分布云圖。由圖2 可以看出，管道焊接修復(fù)過(guò)程中，在熱源移動(dòng)的前方，其等溫線(xiàn)比較密集，溫度梯度較大，熱源后方的等溫線(xiàn)比較稀疏，其溫度梯度較小,焊接過(guò)程中焊接熱源的移動(dòng)可對(duì)熔池前金屬進(jìn)行預(yù)熱和熔池后金屬進(jìn)行后熱。同時(shí)通過(guò)對(duì)三者進(jìn)行比較可以看出，隨著焊接熱輸入增大，中間高溫區(qū)域逐漸增大，熔池后方整體溫度相對(duì)提高，但當(dāng)焊接熱輸入增加到一定程度之后，熔池后方的低溫區(qū)域溫度反而一定程度上降低了。主要是因?yàn)殡S著焊接熱輸入增大，能夠熔化的焊縫金屬區(qū)域增大，焊縫熔池尺寸增大，中間高溫區(qū)域逐漸增大，熔池后方金屬吸收熱量增加，溫度相對(duì)提高，整體溫度場(chǎng)區(qū)域擴(kuò)大，但當(dāng)焊接熱輸入過(guò)大之后，熔化尺寸（無(wú)論是熔深還是熔長(zhǎng)都）急劇增大，焊縫熔池吸收熱量占主要部分，后方低溫區(qū)域則一定程度上有所減小。但對(duì)于焊接修復(fù)過(guò)程來(lái)說(shuō)，熔池尺寸增大，承受管道內(nèi)部介質(zhì)壓力的有效壁厚相對(duì)應(yīng)減小，管道發(fā)生燒穿的可能性增大，安全性降低。

圖2 不同熱輸入管道的溫度場(chǎng)分布云圖

2.2 焊接熱輸入對(duì)內(nèi)壁溫度的影響

經(jīng)過(guò)分析可知，隨著焊接熱輸入增大，焊縫熔池尺寸增大，此時(shí)管道內(nèi)的溫度也隨之發(fā)生變化，管道內(nèi)壁所能達(dá)到的最高溫度可以作為評(píng)價(jià)焊接過(guò)程安全性的一個(gè)重要指標(biāo)。圖3 為不同熱輸入情況下管道某一點(diǎn)的管道內(nèi)壁溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖3 可見(jiàn)，在3 種不同的焊接熱輸入情況下，管道內(nèi)壁的溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)大致相同，隨著時(shí)間增加管道內(nèi)壁的溫度逐漸增大，在達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)，即隨著焊槍不斷靠近，管道內(nèi)壁溫度逐漸升高，在焊槍到達(dá)指定位置后管道內(nèi)壁溫度達(dá)到最大，隨后焊槍逐漸遠(yuǎn)離，管道內(nèi)壁溫度開(kāi)始降低。但不同熱輸入情況下，管道所能達(dá)到的溫度峰值并不相同，焊接熱輸入越大，管道內(nèi)壁的峰值溫度越高。實(shí)際焊機(jī)修復(fù)過(guò)程中，管道內(nèi)壁的溫度越高，管道內(nèi)壁金屬的承載能力越小，同時(shí)焊縫熔池尺寸增大，用來(lái)承受管道內(nèi)部介質(zhì)壓力的有效壁厚越小，管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性越大。因此，可以通過(guò)分析管道內(nèi)壁的峰值溫度結(jié)合溫度場(chǎng)分布來(lái)預(yù)測(cè)發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性。

圖3 不同熱輸入下管道內(nèi)壁的溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

2.3 焊接熱輸入對(duì)徑向變形的影響

除了管道的溫度場(chǎng)外，焊接熱輸入也會(huì)對(duì)修復(fù)管道的應(yīng)力場(chǎng)和徑向變形產(chǎn)生影響。在焊接修復(fù)過(guò)程中，管道承受的應(yīng)力越大，管道產(chǎn)生的徑向變形也就越大，當(dāng)管道變形超過(guò)管道的彈性極限或最大承載能力時(shí)，管道極易發(fā)生燒穿失穩(wěn)，因此研究焊接熱輸入對(duì)管道徑向變形的影響對(duì)于保障管道修復(fù)的安全也具有重要的意義。

焊接線(xiàn)能量分別為4.8、6.1、7.3 kJ/cm 時(shí)，徑向變形隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4 所示。由圖4 可以觀察到，管道徑向變形與溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本相同，都是先增大達(dá)到一定峰值后再減小，最后減小幅度趨于平緩，并且溫度和徑向變形出現(xiàn)峰值的時(shí)間幾乎一致，即當(dāng)溫度隨時(shí)間變化達(dá)到最大值時(shí)，徑向變形也達(dá)到最大。這是由于當(dāng)溫度最高時(shí)，焊接接頭熔池深度最大量，相應(yīng)的管道內(nèi)壁的變形也將達(dá)到最大。同時(shí)，隨著焊接熱輸入增大，管道內(nèi)壁徑向變形與溫度變化趨勢(shì)一樣，峰值也有一定程度增加，同樣可以通過(guò)管道內(nèi)壁徑向變形來(lái)分析管道修復(fù)時(shí)發(fā)生燒穿的可能性。

圖4 不同熱輸入下管道內(nèi)壁的徑向變形隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

管道內(nèi)壁的最高溫度會(huì)影響管道材料的強(qiáng)度及焊縫的熔池尺寸，需要進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算方可判定管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性。若管道變形達(dá)到管道的屈服極限發(fā)生塑性變形，管道徑向變形隨著焊接工藝參數(shù)的變化而急劇增大，就可大致判定管道是否會(huì)發(fā)生燒穿失穩(wěn)。

2.4 焊接熱輸入對(duì)修復(fù)管道可焊壓力的影響

由上述分析過(guò)程可知，焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的溫度場(chǎng)分布、熔深、管道內(nèi)壁溫度峰值以及徑向變形都有一定的影響，而最終都會(huì)對(duì)承壓管道修復(fù)過(guò)程的安全性產(chǎn)生影響。通過(guò)分析管道內(nèi)壁達(dá)到峰值溫度時(shí)管道內(nèi)壁的徑向變形就可對(duì)管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性做出判斷。圖5 為不同熱輸入情況下管道徑向變形隨溫度的變化曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在3 種不同的焊接線(xiàn)能量下，管道徑向變形與壓力的關(guān)系曲線(xiàn)有相同的變化趨勢(shì)。首先以一定的斜率增大，然后直線(xiàn)斜率減小，增大幅度減緩。由圖5 可以看出，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)之前直線(xiàn)斜率比較大，當(dāng)增大壓力時(shí)相應(yīng)的徑向變形增大幅度較?。欢谵D(zhuǎn)折點(diǎn)之后直線(xiàn)斜率變大，當(dāng)增大相同壓力時(shí)徑向變形增大幅度突然增大。這主要是由于在壓力較小的情況下，管道在焊接過(guò)程中主要發(fā)生彈性變形，且隨著壓力增大呈直線(xiàn)增加，但當(dāng)壓力增大到一定程度后，焊接熔池下方未熔化的金屬?gòu)?qiáng)度不能抵抗其所承受的應(yīng)力，管道徑向變形開(kāi)始急劇增大，達(dá)到塑性變形階段，管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力也就是焊接修復(fù)過(guò)程管道所能承受的最大介質(zhì)壓力，一旦超過(guò)該壓力，在該焊接熱輸入情況下實(shí)施焊接就會(huì)發(fā)生燒穿，引發(fā)安全事故。

圖5 不同熱輸入時(shí)徑向變形隨壓力變化曲線(xiàn)

同時(shí)對(duì)3 個(gè)圖進(jìn)行比較后可以看出，在不同熱輸入情況下管道所能承受的最大介質(zhì)壓力分別為4、3、1 MPa，即承壓管道在役焊接修復(fù)的可焊壓力隨焊接熱輸入增大而減小。這主要是由于隨著熱輸入增大，焊縫熔深增大，管壁上剩余的金屬厚度就越小，同時(shí)管道內(nèi)壁溫度升高，材料強(qiáng)度降低，管道可以承受的壓力也就越小，當(dāng)剩余管壁的厚度無(wú)法承受管內(nèi)的壓力時(shí)，就會(huì)發(fā)生燒穿。

3 結(jié)論

（1）焊接熱輸入對(duì)管道溫度場(chǎng)、內(nèi)壁峰值溫度、徑向變形都會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響承壓管道修復(fù)過(guò)程的安全性，可以根據(jù)管道內(nèi)壁峰值溫度結(jié)合焊縫熔池尺寸來(lái)分析管道剩余強(qiáng)度，或依據(jù)徑向變形發(fā)生塑性變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)判斷燒穿失穩(wěn)發(fā)生的可能性。

（2）隨著焊接熱輸入增大，焊縫熔池尺寸增大，焊縫熔深增加，焊接溫度場(chǎng)溫度區(qū)域擴(kuò)大，焊縫冷卻速度變慢。

（3） 焊接熱輸入越大，管道內(nèi)壁的峰值溫度越高、管道的徑向變形越大，管道所能承受的介質(zhì)壓力越小，焊接修復(fù)過(guò)程中的可焊壓力也就越小。