張 萍，韓 濤

(1.北京石油化工學院工程師學院， 北京 102627; 2.中國石油天然氣管道局，河北 廊坊 065000)

天然氣管道在使用過程中，由于天然氣對管壁的沖刷、腐蝕以及管壁的局部損傷等缺陷需進行修復(fù)。修復(fù)過程中為了不影響居民使用，可采用帶壓套管焊接修復(fù)技術(shù)[1]，然而環(huán)向角焊縫在焊接過程中會引起很高的管壁溫度，在高壓條件下存在焊接燒穿的風險。倘若發(fā)生燒穿，則可導(dǎo)致管內(nèi)天然氣燃燒爆炸，引發(fā)重大安全事故[2-3]。此外，帶壓焊接時，管內(nèi)流動的天然氣帶走了大量的焊接熱量，致使焊接接頭處的溫度急劇下降，其高溫停留時間TH(高于 800 ℃的時間)和冷卻時間T8/5(焊縫從800 ℃到500 ℃的冷卻時間)都遠少于傳統(tǒng)焊接，而當冷卻速度過快時易形成氫致裂紋[4-6]。因此對于管道帶壓焊，既要避免因高溫冷卻速度過慢引起的燒穿，又要防止冷卻速度過快引起的氫致裂紋。

美國BMI和EWI研究所的研究表明，為了防止燒穿，帶壓焊需采用低氫焊條進行焊接，同時管道內(nèi)壁的溫度不得超過 982 ℃[7-8]，其中內(nèi)壁溫度是判斷是否燒穿的判據(jù)，因此需要關(guān)注熔池下方內(nèi)壁的溫度變化。此外，焊接熱影響區(qū)受熱極度不均，其晶粒大小及最終的組織與T8/5、高溫停留時TH和峰值溫度等熱循環(huán)參數(shù)密切相關(guān)[9]。帶壓焊時，熱影響區(qū)的溫度可高達1 350～1 400 ℃，奧氏體晶粒開始長大，在天然氣的快速冷卻下，粗大的奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袣渲铝鸭y傾向的高碳馬氏體、上貝氏體等。這些組織在焊接應(yīng)力和氫的作用下易形成氫致開裂[10]。許波等[9]以平板為研究對象，研究了壁厚對熱循環(huán)曲線的影響，結(jié)果表明焊件厚度對焊接熱循環(huán)曲線影響顯著，但其模型中沒有考慮管道內(nèi)壓及管道介質(zhì)流動對溫度的影響。

筆者建立了X80帶壓管道焊接的三維有限元分析模型，分析了焊接管道壁厚、管徑、介質(zhì)內(nèi)壓等參數(shù)對粗晶區(qū)及焊縫正下方內(nèi)壁的熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律，為進一步制定合理的在役焊接修復(fù)工藝、避免燒穿及氫致裂紋提供參考。

1 有限元模型

1.1 帶壓焊接接頭的換熱機理及換熱系數(shù)

焊接接頭的換熱主要包括三部分：管壁的熱傳導(dǎo)及輻射換熱、焊接接頭及外表面與空氣的自然對流換熱和管道內(nèi)壁與管內(nèi)介質(zhì)的強制對流換熱。

自然對流的換熱系數(shù)的變化范圍通常為5～25 W/(m2·K)，考慮到帶壓焊是在室外，空氣流動較大，自然對流的換熱系數(shù)αc1取25 W/(m2·K)。

管道內(nèi)強制對流換熱系數(shù)的計算式為：

(1)

式中：αc2為強制換熱系數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為管道的內(nèi)徑；Re為雷諾數(shù)；Pr為特朗普數(shù)；μ為流體中心動力黏度；μw為運行介質(zhì)在壁溫時的動力黏度。

輻射換熱系數(shù)的計算式為：

α=0.8×5.67×10-8×[(273.15+T0)+(273.15+T)]×[(273.15+T0)2+(273.15+T)2]

(2)

式中：T0為環(huán)境溫度；α為金屬輻射換熱系數(shù)。

1.2 焊接熱源模型

數(shù)值仿真時需要定義焊接熱源的形式，由于熔化焊時焊接熱量局部集中、動態(tài)瞬時性和快速移動性，很容易在時間域和空間域內(nèi)形成梯度大的不均勻溫度場，模擬中采用雙橢球體熱源分布模式，如圖1所示。

圖1 雙橢球熱源模型

1.3 材料的性能參數(shù)

X80管道鋼與溫度相關(guān)的熱物理性能及力學性能參數(shù)如表1所示，與壓力相關(guān)的天然氣熱物理性能參數(shù)如表2所示。

表1 X80不同溫度下的性能參數(shù)

表2 天然氣熱物理性能參數(shù)

1.4 有限元模型

帶壓焊時，一般情況下燒穿發(fā)生在第1道焊縫[11-12]，且第1道焊縫是表面堆焊，建立的有限元網(wǎng)格如圖2(a)所示。由圖2(a)中可以看出，焊縫區(qū)的網(wǎng)格較密，其余母材部分相對稀疏，這樣在保證計算精度的同時降低計算量。

為了研究帶壓焊接管道壁厚、管徑及介質(zhì)內(nèi)壓等參數(shù)對內(nèi)壁及熔合線附近區(qū)域的熱循環(huán)曲線的影響，在焊縫中間對稱面上選取3個節(jié)點：熔池正下方的內(nèi)壁點A、熔池正下方熔合線附近B點、管壁表面與熔合線交界處C點，如圖2(b)所示。

圖2 有限元網(wǎng)格及節(jié)點ABC位置示意圖

熱輸入為12 kJ/cm，管內(nèi)天然氣流速為15 m/s，根據(jù)壁厚、管徑及內(nèi)壓的不同，分3組討論粗晶區(qū)及焊縫內(nèi)壁的熱循環(huán)曲線，每組的具體參數(shù)如表3所示。

表3 不同因素下管徑壁厚及內(nèi)壓表

2 計算結(jié)果與分析

2.1 壁厚對熱循環(huán)曲線的影響

在內(nèi)壓為5 MPa、流速為15 m/s、管徑為610 mm的條件下，研究4種壁厚(7、8、9、10 mm)下A、B、C點的熱循環(huán)曲線,如圖3所示，B、C點的熱循環(huán)參數(shù)如表4所示。

圖3 不同壁厚下ABC三點熱循環(huán)曲線

表4 不同壁厚下熔合線附近點的熱循環(huán)參數(shù)

從圖3(a)中可以看出，當壁厚為7、8、9 mm和10 mm時，峰值溫度分別為651、552、484 ℃和428 ℃。由于焊縫熔池的熱量主要是以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給周圍的母材[9]，因此，壁厚越厚，熱量越容易傳導(dǎo)出去，焊縫的冷卻速度越快，內(nèi)壁熱循環(huán)曲線峰值溫度越低，越不容易發(fā)生燒穿。

從圖3(b)、圖3(c)及表4中可以得知，各點的熱循環(huán)曲線在前期加熱階段基本重合，但在冷卻階段，冷卻時間T8/5及高溫停留時間TH隨焊件厚度的增加逐漸減少，冷卻速度增加。因考慮了管內(nèi)天然氣的內(nèi)壓和流速的影響，天然氣帶走了更多的熱量，因此與文獻[9]相比，冷卻速度更快。當冷卻速度過高時，因為X80管線鋼的碳當量比較高，在粗晶區(qū)域(熱影響區(qū))會形成少量板條馬氏體，從而造成該區(qū)域的韌性降低[13]，易產(chǎn)生裂紋。

2.2 管徑對熱循環(huán)曲線的影響

在內(nèi)壓為5 MPa、流速為15 m/s、壁厚為7 mm的條件下， 不同管徑下各點熱循環(huán)曲線如圖4所示，B、C點的熱循環(huán)參數(shù)如表5所示。由圖4(a)可知，在相同的內(nèi)壓、流速和壁厚下，管徑分別為610、711、813 mm及914 mm時，峰值溫度分別為647、655、656 ℃及652 ℃，管徑對于內(nèi)壁的峰值溫度影響較小。但由于管徑增加，焊接到對稱截面所需時間也增加，因此不同管徑的管道達到峰值溫度的時間不同。

圖4 不同管徑下ABC三點的熱循環(huán)曲線

表5 不同管徑下熔合線附近點的熱循環(huán)參數(shù)

由圖4(b)、圖4(c)及表5可知，B、C兩點的熱循環(huán)曲線的變化趨勢基本保持一致，管徑對熔合線附近的B點、C點的峰值溫度的影響較小，對T8/5及高溫冷卻時間TH的影響也很小，在0.4 s范圍內(nèi)波動。

2.3 內(nèi)壓對熱循環(huán)曲線的影響

在壁厚為7 mm、流速為15 m/s、管徑為610 mm的條件下， 不同內(nèi)壓下各點熱循環(huán)曲線如圖5所示，B、C點的熱循環(huán)參數(shù)如表6所示。由圖5(a)中可以看出，當內(nèi)壓為0即管內(nèi)沒有氣體時，A點最高溫度為790 ℃；當內(nèi)壓分別為1、3、5 MPa時，A點最高溫度分別為744、682 ℃及647 ℃，內(nèi)壓越高，管道內(nèi)壁溫度越低，冷卻速率越快。這是因為比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度等天然氣的熱物理性能參數(shù)隨著壓力的增加而增加，由式(1)可知，內(nèi)壁的強制對流換熱系數(shù)也隨之增加，因此更高的天然氣內(nèi)壓帶走更多的熱量。

圖5 不同內(nèi)壓下ABC三點的熱循環(huán)曲線

由圖5(b)、圖5(c)可知，內(nèi)壓對熔合線附近點B和C的熱循環(huán)曲線的峰值溫度幾乎沒有影響，但對于冷卻速率影響大。由表6可知，管內(nèi)沒有氣體時，B點、C點的T8/5冷卻時間分別為10.13 s及10.19 s；而內(nèi)壓為5 MPa時，B點、C點的T8/5冷卻時間分別為4.71 s和4.92 s，與前者相比，冷卻時間不到一半。高溫停留時間TH也隨著內(nèi)壓的增大而不斷的減少。因此，對于帶壓焊，隨著內(nèi)壓的增加，管道內(nèi)壁熱循環(huán)減小，需控制焊接工藝參數(shù)，避免冷卻過快而產(chǎn)生氫致裂紋。

表6 不同內(nèi)壓下熔合線附近點的熱循環(huán)參數(shù)

3 結(jié)論

對X80管道帶壓焊進行仿真，研究了焊接管內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓、流速、壁厚等對管壁熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)管壁越厚，T8/5和TH的持續(xù)時間越短，因此對較大壁厚管道的焊接，需減少熱影響區(qū)的馬氏體上貝氏體組織；

(2)同等條件下，隨著管徑的增加，冷卻時間略微增加，對熱循環(huán)曲線的影響很小；

(3)管內(nèi)介質(zhì)壓力越大，帶走的熱量越多，燒穿的可能性越小，但產(chǎn)生氫致裂紋的可能性越高，因此需控制焊接工藝參數(shù)防止燒穿。