盧玉秀* 李 強(qiáng) 蘇光軍 薛紅香

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 前言

隨著我國管網(wǎng)體系日益完善，管道在油氣輸送中發(fā)揮著越來越重要的作用。但在長期運(yùn)行過程中，管道不可避免會發(fā)生腐蝕、老化、機(jī)械損傷等問題，為了保障管道安全運(yùn)行、節(jié)約修復(fù)成本，安裝套管或支管等在役焊接修復(fù)技術(shù)也發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2]。與常規(guī)焊接相比，在役管道焊接修復(fù)技術(shù)在不停輸?shù)那闆r下完成管道焊接工作，易導(dǎo)致其出現(xiàn)燒穿和氫致開裂[3]等缺陷，而其中燒穿是在役焊接修復(fù)過程中首先要解決的問題。

實(shí)際上，燒穿是由管道內(nèi)的介質(zhì)壓力和焊接應(yīng)力共同作用使管道徑向變形量超過一定限度引起的。本文將采用有限元分析軟件對在役管道焊接修復(fù)過程進(jìn)行模擬，研究在不同焊接熱輸入及管道內(nèi)的介質(zhì)壓力下，管道內(nèi)壁徑向變形的變化規(guī)律，從而確定管道在役焊接修復(fù)時的可焊壓力。

1 在役管道焊接數(shù)值模型的建立

1.1 幾何模型的建立

在役管道焊接修復(fù)過程中，管道是否會發(fā)生燒穿失穩(wěn)主要取決于第一道堆焊層，同時考慮到修復(fù)管道受力與結(jié)構(gòu)的軸對稱性，建立如圖1 a）所示的1/2 管道模型，管道長度為80 mm，管徑為610 mm，壁厚為8.7 mm。管道的網(wǎng)格劃分情況如圖1 b）所示，靠近焊縫區(qū)域的模型網(wǎng)格劃分比較密，而遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的網(wǎng)格劃分則比較稀疏，這樣既可以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性又能節(jié)省計(jì)算時間。

圖1 管道在役焊接有限元分析模型

1.2 熱源模型

結(jié)合管道在役焊接修復(fù)的情況，有限元分析采用與實(shí)際相符性較高的雙橢球熱源[4]。結(jié)合實(shí)際焊接工藝，采用數(shù)值模擬軟件對熱源模型進(jìn)行校核，保證最終所獲得的熔池形狀與實(shí)際相符。

1.3 邊界條件及約束

在役焊接修復(fù)過程中如果管道內(nèi)存在介質(zhì)的流動，則不可避免會帶走一部分熱量，為了使模擬條件盡可能苛刻，本文主要進(jìn)行無介質(zhì)管道修復(fù)過程的有限元分析。管道內(nèi)外表面均與空氣接觸，所以管道表面的熱交換方式為熱輻射換熱和空氣自然對流換熱，其換熱系數(shù)為：

式中：T0——環(huán)境溫度，取20 ℃；

T——焊接接頭與空氣表面的接觸溫度，℃。

同時，在進(jìn)行有限元分析時對管道截面添加剛性約束，在管道內(nèi)表面添加均布壓力。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

無論是常規(guī)焊接還是在役焊接修復(fù)，只要管道內(nèi)壁未失去承載能力，能夠承受管內(nèi)壓力和焊接應(yīng)力的共同作用不發(fā)生燒穿失穩(wěn)，那么管道的焊接過程就是相對安全的。圖2 為在役焊接修復(fù)過程中，管道內(nèi)壁某一點(diǎn)的內(nèi)壁溫度和徑向變形隨時間的變化曲線。由圖2 可見，在奧氏體轉(zhuǎn)變溫度附近，由于鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變時比體積發(fā)生變化，徑向變形隨內(nèi)壁溫度升高而降低，在其他溫度范圍內(nèi)，二者變化規(guī)律基本保持一致。管道內(nèi)壁溫度達(dá)到最高之后其徑向變形也隨之達(dá)到最大。只要出現(xiàn)最大徑向變形時刻管道不發(fā)生燒穿失穩(wěn)，則整個焊接修復(fù)過程是安全的，所以本文通過分析修復(fù)過程中管道內(nèi)壁的最大徑向變形量來確定管道可焊壓力。

圖2 管道內(nèi)壁溫度和徑向變形隨時間變化曲線

2.1 管內(nèi)壓力對管道內(nèi)壁徑向變形的影響

圖3 為管道的最大徑向變形隨管內(nèi)壓力的變化曲線。由圖3 可以看出，在一定的壓力范圍內(nèi)，管道內(nèi)壁的最大徑向變形量隨管內(nèi)壓力增大而呈線性增大，管道內(nèi)壁處于彈性變形階段；但當(dāng)管內(nèi)壓力增大到一定范圍后，管道的剩余強(qiáng)度不足以抵抗管內(nèi)壓力與焊接應(yīng)力的共同作用，管道內(nèi)壁發(fā)生屈服并產(chǎn)生塑性變形，徑向變形急劇增大，徑向變形變化曲線斜率增大，該壓力范圍內(nèi)管道極易產(chǎn)生燒穿失穩(wěn)，其對應(yīng)的壓力即可認(rèn)為是管道的最大可焊壓力。

2.2 焊接熱輸入對管道內(nèi)壁徑向變形的影響

圖3 徑向變形隨管內(nèi)壓力變化曲線

除了管道內(nèi)的介質(zhì)壓力外，修復(fù)過程中的焊接熱量輸入也是影響可焊壓力的重要因素，會對管道的最大徑向變形量產(chǎn)生直接影響。圖 4 所示為不同熱輸入情況下管道徑向變形隨可焊壓力的變化曲線。由圖 4 可見，在不同熱量輸入情況下，管道的最大徑向變形均會隨著可焊壓力增大而呈線性增加，當(dāng)管道內(nèi)的壓力增大到一定程度后徑向變形急劇增大，管道產(chǎn)生屈服，且焊接熱輸入越大，管道內(nèi)壁的徑向變形量越大，管道內(nèi)壁發(fā)生屈服所需的壓力越小。

圖4 徑向變形隨介質(zhì)壓力變化曲線

這是由于焊接熱輸入對焊接過程中的熔池尺寸起決定性的作用。圖5 為不同熱輸入情況下在役焊接管道熔池尺寸的變化曲線。由圖5 可見，熔池尺寸隨焊接熱輸入增大而逐漸增大，并且在一定熱輸入范圍內(nèi)，由于焊接熱輸入對焊縫的加熱作用遠(yuǎn)大于周圍金屬的冷卻作用，導(dǎo)致熔池尺寸快速增大。將焊縫熔池等效為管道的體積型缺陷，根據(jù)管道熔池尺寸的變化規(guī)律分析可以看出，管道的焊接熱輸入越大，熔池尺寸越大，等效的體積缺陷越大，修復(fù)過程中用于承受應(yīng)力與變形的剩余強(qiáng)度越小，在相同管內(nèi)壓力條件下，管道內(nèi)壁的徑向變形越大，管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性越大，由此可以進(jìn)一步確定可由管道內(nèi)壁最大徑向變形來確定其最大可焊壓力。

圖5 熔池尺寸隨焊接熱輸入的變化曲線

3 結(jié)論

（1） 管道內(nèi)壁的徑向變形隨內(nèi)壁溫度升高而逐漸增大，內(nèi)壁溫度達(dá)到最高之后管道的徑向變形也達(dá)到最大。只要管道內(nèi)壁未失去承載能力，焊接過程就是安全的，可以通過分析焊接時管道內(nèi)壁的最大徑向變形來確定管道修復(fù)的可焊壓力。

（2）管道內(nèi)壁的最大徑向變形隨管內(nèi)壓力增大而逐漸增大，壓力增加到一定程度后，管道徑向變形急劇增大，發(fā)生屈服，此時所對應(yīng)的壓力即可認(rèn)為是在役焊接的最大可焊壓力。

（3）焊接熱輸入越大，熔池尺寸越大，承受應(yīng)力和變形的剩余管道強(qiáng)度就越小，管道徑向變形越大，內(nèi)壁發(fā)生屈服所需要的壓力越小，可焊壓力也越小。

（4）在役焊接修復(fù)過程中，為了保證管道不發(fā)生燒穿失穩(wěn)，必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入和管道內(nèi)介質(zhì)壓力，控制焊接過程中管道徑向變形，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，盡可能采用小的焊接熱輸入。