（材料加工工程专业论文）天然气管道不停输带压改线焊接研究.pdf

摘要 随着地下燃气管道的广泛使用，实际工程中不可避免地应用到在役燃气管道 带压改线技术。目前我国带压管道改线技术只是基于过去积累的经验，缺乏对整 个改造工程科学、量化的数据支持。因此，本课题将对天津市某带压燃气管道改 线工程进行系统的研究与校验，主要考察焊接过程中燃气管道内壁的温度和焊接 力学行为。 本课题首先针对带压管道改线中的环焊缝制定合理的焊接工艺参数，包括： 焊接方法，焊接材料的选择、焊接接头的尺寸及热处理方法等。主要用到的试验 方法为拉伸试验、刻槽试验、宏微观金相试验和硬度测试。 焊接工艺确定后，应用有限元软件a n s y s 对这种方式下的带压管道改线焊 接过程进行模拟。焊接过程包含了热学和力学两种问题，所以选择有限元数值模 拟方法的热应力耦合法对改线问题进行模拟。同时，又由于焊接过程是一个不 均匀的瞬态非线性热输入问题，为了得到精确模拟结果，本文选择了间接耦合方 法分别对3 m p a ，4 m p a 和5 m p a 管道内压情况下的模型进行热学数值计算，对 3 m p a 和4 m p a 内压下的模型进行了力学数值计算，其中对焊接过程应用了“生 死单元”这个功能。在热学与力学耦合部分，为了协调二者网格疏密程度不一致 问题，本文应用了a n s y s 的b f i n t 功能对体载荷进行插值运算。 最终发现三种内压下进行的带压改线焊接，对于所采用的手工电弧焊接工 艺，燃气管道内壁的最高温度为7 5 5 ，低于b a t t e l l e 的9 8 2 ，即施工过程中不 会发生烧穿现象。同时，由于管道的对流系数会随着管道压力的升高而升高，因 此燃气管道的内壁温度随之降低。 通过分别对3 m p a 管道内压进行模拟发现，焊接过程中的最大等效应力为 3 2 7 m p a ，小于母材的屈服强度3 6 0 m p a 。改线焊接结束后，管道恢复供压时的 4 m p a 时，管道的最大等效应力提高到3 3 7 m p a ，依然符合安全要求。另一方面， 两种内压下，管道发生的最大位移均小于l m m 界限，也符合安全经验标准。因 此，针对本文研究的管道结构，在3 m p a 下进行带压燃气管道的改线施工是一种 安全合理的选择。 关键词：天然气管道：带压改线焊接；有限元模拟 a b s t r a c t w t ht h ew i d eu s a g eo ft h eb u r i e dg a sp i p e l i n e ， p e o p l eh a v ep a i dm o r e 锄dm o r c a t t e n t i o no ni n - s e i v i c ew e l d i n go f g a sp i p e i i n e s a tp r e s e n t ，c h i n a ss u c ht e c h n o i o g y i so n l yb a s e do np r e v i o u se x p e r i e n c ew h i c hl a c k ss c i e n t i f i ca n dq u a n t i t a t i v ed a t a t h e r e f o r c ，t h i sp a p e rw i l ld or e s e a r c h0 n m o d 讯c a t i o nw e l d i n go fg a sp i p e l i n e sw h o s e t o p i ci ss u p p i i e df 如mt i a n j i ng 舔g r o u pc o l t d i ti sm a i n l ya b o u t t h et e m p e r a t u r e o f p i p ei n s i d ew a a n dt h es 仃e n 昏ho f t h ew e l d i n g j o i n t f i r s t l y ，t h ep a p e rf o u n dp r o p e rt e c h n i c sp a r a m e t e r sf o rt h em o d i f i c a t i o nw e l d i n g o fg a sp i p e l i n e s ，w h i c hi n c l u d e s ：w e l d i n gm e t h o d ，t h ec h o i c ef 0 rb a s em e t a la n d w e l d i n gf i l l e r ，t h es i z eo fw e l d i n gj o i n tt h e h e a tt r e a t m e n tm e t h o da n ds oo n l n0 1 d e r t 0 鲥t h e p a r a m e t e r s ，i tn e e d s af e we x p e r i m e n t s ：t e n s i l et e s t ，g r o o v et e s ta n ds oo n a r e rc o n f i 肿i n gt h ew e l d i n gt e c h n i c s ，t h ep a p e r u s e dt h ef i n i t ce l e m e n ts o f t w a r e ， a n s y s t os i m u i a t et h em o d i f j c a t i o nw e l d i n gp r o c e s so fg a sp i p e l i n e s s i n c et h e w e l d i n gp r o c e s sc o n t a i n st w op a r t s ，t h e n n a ii s s u ea n d s t r e s si s s u e ，t h ep a p e rc h o s et h e t h e m a l s t r e s sc o u p l i n gm e t h o do ff i n i t ee l e m 明tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e 锄w h i l e ， b e c a u s et h ew e l d i n gp r o c e s si saq u i t eu n s t a b l ea n d 髂y m m e t r i ci s s u ef o ri n p u t t i n g h e a t ，t h ep a p e rc h o i c ei n d i r c c tc o u p i i n gm e t h o d t og e tt h ea c c u r a t es o l u t i o n t h e r ea 坞 t h r c ek i n d so fi n t e m a lp r e s s ( 3 m p 如4 m p a 锄d5 m p a ) c o n d i t i o nf o rs i m u l a t i o n i nt h e s i m u l a t i o n ，t h ep a p e ru t i l i z e dt h ei m p o r t a n tf h n c t i o no f b i r t h - d e 2 曲e l e m e n t i nt h e t h e 册a 1 s t l e s sc o u p l i n gs e c t i o n ，i no r d e r t oc o o r d i n a t et h ed i f f e r e n te l e m e n td e n s i t y b e t w e e nt h e 咖a lp a n 硼ds 仃e s sp a n ，t h ep a p e r h a m e s s e dt h eb f i n t f h n c t i o nt o a c t i v a t et h eb o d yf o r c ei n t e r p o l a t i o no p e r a t i o nw h i c hi st h eh i g h l i 曲to f t h i sr e s e a r c h a tl a s t i ti sf o u n dt h a tu n d e rt h 他ei n t e m a lp r e s sc o n d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r co f t h e g a sp i p e l n e si n s i d ew a l li sa l e s st h a n9 8 2 i tm e a n s i tw o u l dn o tb u mt h r o u g h d u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s 。a tt h es 锄e ，w i t ht h ei n c r c 硒e di n t e m a ip r e s s ，t h e c o e 硒c i e n to ft h e m a lt m n s f e ri sa l s or a i s e d ，s ot h et e m p e r a t u r eo ft h eg a sp l p e i i n e s i n s i d ew a l ii sr e d u c e d h o w e v e r 豫i s i n gt h ei n t e m a lp r c s sl e a d st o t h ei n c r e a s eo f s t 他s sa n dd i s p l a c e m e n t t h e r e f o r e ，t h e3 m p ai sap r o p e r 锄ds a f ep r e s sf o r t h e m o d 讯c a t i o nw e l d i n go fg 弱p i p e l i n e s k e yw o r d s ：i n s e r v i c ew e l d i n g ，m o d i f i c a t i o n ，f i n i t ce l e m e n tm e t h o d 第章绪论 1 1 研究背景综述 第一章绪论 从2 0 世纪四十年代开始，外国管道公司就开始使川地下燃气管道运送天然 气，这些管道的长度已达到数千英里。起初，保护技术( 例如保护涂层和阴极保 护) 并没有很好的发展，因此管道公司不得不经常面对腐蚀所带来的危害。当时 唯一修理泄露管道的方法就是把损坏的管道替换掉，但是使用这种方法就必须把 管道抽空，停止供应天然气。由于没有其他线路继续提供燃气，停输就意味着很 多地区的居民和企业将暂停使用天然气，这将带来很大的经济损失与生活不便。 随着技术的发展，一种新的方式替代了原来的旧方法，它可以最大程度上减小由 于抢修和改线所带来的经济损失与生活不便。这种管道的不停输带压改线方式在 文献中也被称为“四通改造”，如图1 1 所示。 “四通改造”的主要思路就是首先将一个上下两部分的四通结构对扣在需要 改线的原管道上。然后，通过两道直焊缝将两部分四通进行对接。最后，通过两 道环焊缝将四通与管道相连，并密封四通下部的那个开口。完成以上步骤就可以 在四通上部开口通过机加工将内管道打通，此时两道环焊缝将承受和内管相同的 应力作用。显然，由于两道环焊缝是在燃气管道带压工作下进行的，因此，焊接 过程及焊接结果对整个改造起着至关重要的作用。 陶卜1 四通样式 第一章绪论 管道的不停输带压焊接技术，是美国、加拿大等国家在传统的泄压停输焊接 修复基础上提出的一种先进的管道修复技术，顾名思义就是在管道运行状态下直 接进行焊接修复，也称在役焊接技术。在役焊接修复可保持管道运行的连续性， 修复时间短、速度快，对管道正常运行影响小，同时降低环境污染，具有巨大的 经济效益、社会效益和广阔的应用前景。 随着我国经济和社会的不断发展，能源需求日益增加。天然气作为一种清洁、 高效的能源得到了大量的开发和利用，城市高压燃气管道的建管数量也随之大量 增加。以1 9 9 7 年陕气进京( 津) 为标志，城镇燃气管线压力等级开始提高到次 高压b ( p 0 8 m p a ) 以上，至2 0 0 8 年末，全国建成的高压天然气管线超过2 5 万i ( n 1 ，其中天津已建成次高压b 以上燃气管线5 6 8 l ( m ，目前正在建设的压力等 级为4 0 m p a 的高压燃气管道( 根据国家城镇燃气设计规范g b 5 0 0 2 8 2 0 0 6 的规定，城市燃气管道压力等级见表1 1 ) 。因此，天然气管道越来越广泛的使用， 使得对四通改线的技术和安全问题提出了更高，更科学的要求。本文将通过有限 元模拟的方法来分析实际工艺的合理性。 表1 1 城镇燃气管道设计压力( 表压) 分级 1 2 焊接有限元分析的国内外研究背景 热源：由于焊接是一种在非平衡状态下进行的加热、冷却过程，而且影响因 素较多，所以是一个非常复杂的过程。直到2 0 世纪3 0 年代才有科学家对这种热 传导过程进行系统地研究1 2 3 】。h h 雷卡林院士首先将非线性方程线性化，在这 种条件下，利用热传到微分方程对焊接温度场的温度分布进行描述，即建立起一 个应用简便，直观性强的数学模型。但是，这个数学模型未能获得理想效果，在 很多情况下，其计算的结果与实际工况差别很大。同一时期，a d a m s 等科学家从 2 第一章绪论 试验角度来对焊接传热问题进行研究。他们开展大量试验，尽量从不同焊接条件 下获得其对应的焊接传热数学公式。这样，他们得出的最终结果比h h 雷卡林 院士的解析解准确性高，但是开展这些焊接试验会消耗大量研究费用，而且试验 时间较长，工作量较大。同时，有些试验由于人为操作原因，可靠性不高。 焊接热过程的数值分析始于7 0 年代【4 ，5 1 。近几年，g a r e t ha 、t a y l o r 、m i c h a e l h u g h e s 等人研究了多种焊接结构的热模拟情况，考虑到熔池中的流体动力学以 及传热情况，利用c f d ( c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c s ) 和c s m ( c o m p u t a t i o n a ls o i i d m e c h a n i c s ) 两种情况对筒体对接焊的温度场分布进行了有限元分析【6 】os w w e n 、 p h i l t o n 、d c j f a r r u g i a 等人利用大型有限元分析软件a b a q u s 模拟厚板埋弧焊 的焊接热过程，比较分析了二维和三维有限元模拟的计算结果，以及不同焊接工 艺参数和焊接接头的几何形状对焊接结果的影响，并与试验相比较，成功预测了 焊接温度场的分布i 丌。1 9 8 1 年西安交通大学唐慕尧等人，首先对薄板准稳态焊接 应用有限元法进行了温度场的计算。但当时有限元计算的缺点是未考虑材料的非 线性热物理性能和工作表面的热损失。随后，上海交通大学开始对焊接热传导数 值分析进行研究，其研究成果为使用变步长外推法对非线性热导方程进行求解， 并建立了焊接温度场的有限元数值模型和对应的计算机程序。该研究成果成功应 用在脉冲t l g 焊接温度场，局部干法水下温度场等问题上【8 - 9 1 。同时期，大连铁 道学院张冬初通过建立熔池合理的热输入模型，对焊接热场进行了三维分析【l o 】。 西安交通大学的段权等人通过有限元方法对焊接热的非线性热传递过程进行了 研究，绘制出了焊接热循环曲线【1 1 1 。为解决大型结构焊接结构模拟时的计算效率 和精度的矛盾，清华大学焊接数值模拟研究小组提出了焊接过程数值模拟高效模 型、分段移动高斯热源模型、串热源模型以及分段移动双椭球热源模型，这些模 型适用于大型复杂结构焊接变形和残余应力问题的求解。 残余应力：2 0 世纪7 0 年代，上田幸雄和村川英一提出了考虑不同温度下材 料力学性能的二维、三维焊接热塑弹性有限元法，并发展成为“计算焊接力学 这样一门新的学科。他们对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变 形进行了三维热弹性有限元分析，并得出了较为满意的结论【1 2 1 3 】。此后，他们提 出了以固有应变为参数的二维、三维焊接残余应力的预测和测量方法，并利其对 t 形、工字形和平板多道焊焊接接头的残余应力进行了分析。t 1 n o u e 【1 4 】等研究了 伴有相变的变化中温度、相变、热应力三者之间的耦合效应，并建立了在考虑耦 合效应条件下的本构方程的一般形式。最近，b a c h o r s k i 等提出了收缩体积法焊 接变形有限元预测理论i b j 。8 0 年代初，国内的西安交通大学和上海交通大学等 开始了关于焊接热弹塑性理论及其在数值分析方面的研究1 1 6 】。上海交通大学编制 出了二维平面变形和轴对称焊接热弹塑性有限元分析程序【 】，其在薄板、厚板和 3 第一章绪论 管子等焊接应力方面得到了广泛应用。此后，该程序又引入高温蠕变和相应变的 影响【1 引。近些年来，上海交通大学与日本大阪大学对三维温度应力应变温度进行 了共同研列1 9 瑚】，提出了提高计算精度和加快收敛性的若干方法，发展了有关的 三维焊接分析程序，研究成果已在预测核电凝汽器焊接变形、压缩机焊接变形等 方面得到实际应用【2 1 - 2 2 】。 1 3 本课题的研究意义 本文将研究燃气管道在带压工作条件下进行焊接的情况，因此具有一定危险 性和很大的实用性。燃气管道正处在服役状态下，管道内壁与天然气接触，所以 在模拟条件下将其视为流体的边界条件。由于管内燃气的流动不断带走焊接区的 热量，造成焊后快冷，与常规焊接相比，焊接热循环有其特殊之处。管道内压越 高，天然气流动速度越快，在模拟中管道内壁的散热系数也就越大。无疑，较大 的散热系数会降低内壁在焊接过程中的温度。这就使得焊缝和热影响区产生淬硬 组织的倾向增大，在应力和氢的作用下极易产生氢致裂纹，给修复后管道的安全 运行带来极大的隐患。另外，焊接接头是在承载应力的情况下经受了焊接热作用， 焊接过程中力热的耦合作用对焊接接头的组织和性能有重大的影响。如果焊接 熔池下方未熔化金属的强度不能抵抗它所承受的应力，特别是管内燃气的压力作 用时，管壁就会发生烧穿现象。一旦发生烧穿现象，天然气泄漏极有可能引起爆 炸，严重威胁施工人员的人身安全和管线的安全运行。因此在焊接过程中控制焊 接熔深，防止管壁焊穿也是在役焊接修复必须要考虑的重要问题。 另一方面，由于焊接是一个非常复杂且不平衡的过程，焊后的残余应力、应 变数值、方向很不稳定，所以修复后的环向焊缝造成的残余应力与管道本身内部 的压力组成较大的等效应力。当管道内部恢复正常输送的压力时，有可能导致焊 缝局部应力过大，从而引起管道破裂造成严重事故。 1 4 本文研究思路 1 合理选择与管道母材相匹配的四通材料，使其热学性质和力学性质均相 似。 2 通过试验确定最合理的焊接接头和焊接材料，使其拉伸强度超过母材， 并避免焊缝容易的咬边、未焊透、裂纹等缺陷。 3 通过有限元软件模拟实际施工过程，分析所选焊接工艺是否合理，并提 出改进方案或需要注意的施工薄弱环节。整个有限元数值模拟包含两大部分：第 4 第章绪论 一部分是热学模拟：主要用于检测内管蹙的最高温度是否过高；第二部分是力学 模拟：模拟在焊后残余应力与管道内压下的等效应力，检测焊缝部分可以达到的 力学强度。 5 第二章天然气管道带胝不停输焊接工艺设计及选择 第二章天然气管道带压不停输焊接工艺设计及选择 将四通焊接到燃气管道上的焊接工艺较为复杂，稍有不适，就可能引起严重 的事故，历史上记载由环角焊缝引起的事故有两次，第一次是在1 9 8 5 年，安装 时，环焊缝焊接引起了爆炸【2 3 1 。第二次发生在1 9 8 6 年，改线维修安装时引起了 管道的破裂【2 4 1 。因此，在实际施工中稍有不慎，就可能引起非常严重的事故，造 成人员伤亡和巨大的经济损失。本章将详细介绍对燃气管道不停输带压改线焊接 进行焊接工艺的优化设计。 2 1 四通母材的选择 四通一般选择与管道母材相同的l 3 6 0 ，也可以选择与其很接近的q 3 4 5 b 。 q 3 4 5 过去也称为1 6 m n 。它是一种低合金钢，即含碳量小于0 2 ，被广泛用于 很多行业，如：汽车，轮船，建筑，压力容器制造业等。这种钢材编号中的q 是屈服强度拼音的字母缩写，后面数字3 4 5 为名义屈服强度的数值3 4 5 m p a 。q 3 4 5 一般分为a 、b ，、c 、d 、e 五个等级，代表在不同温度下接受冲击试验。q 3 4 5 a 不做冲击试验：q 3 4 5 b 在2 0 下接受冲击试验：q 3 4 5 c 在0 下接受冲击试验： q 3 4 5 d 在- 2 0 下接受冲击试验；q 3 4 5 e 在- 4 0 下接受冲击试验。q 3 4 5 有内外 两种执行标准，内部为：g b 厂r 1 5 9 1 2 0 0 8 ，外部为：g b 7 0 9 2 0 0 6 。 q 3 4 5 b 和l 3 6 0 钢母材的显微组织都是铁素体+ 珠光体，但l 3 6 0 钢的晶粒明 显比q 3 4 5 b 钢细小，如图2 - l 。q 3 4 5 b 与l 3 6 0 这两种材料，供货状态下的化学 成分和力学性能见表2 1 和2 2 。 2 2 带压管道焊接工艺设计 2 2 1 焊接材料的选择 为了避免焊穿管壁，没有接受正确焊接培训的焊工很可能会尽量减少焊接时 间，并使用纤维素焊条来获得较大的熔敷率。根据“等匹配”的原则，可与母材 匹配的焊条包括e 7 0 1 0 纤维素焊条和j 5 0 7 低氢钠型焊条。在管道制造中，纤维 素药皮焊条经常被使用，但是对于服役中的管道，这种焊条会带来很严重的氢致 开裂风险【2 5 】。现在一般推荐使用低氢焊条，并配合制定的预热和热输入来避免冷 6 第_ 章天然气管道带压不停输焊接t 艺没计及选择 却速度过快和焊穿问题【2 6 】。因此，考虑到在役焊接的特殊性，结合国内外类似工 程的实践经验，本研究选用j 5 0 7 低氢钠型焊条作为本项目的焊接材料，其熔敷 金属的化学成分及力学性能见表2 3 、2 4 。 使用前，焊条须经3 5 0 l 小时的烘干。3 2 焊条的推荐电流是11 3 1 2 6 a ， 4 o 焊条的推荐电流是1 4 0 1 7 0 a 。在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下，焊 接速度由操作者灵活掌握。 如f 、，j l = - a ) q 3 4 5 b 钢母材的组织( f + p ) 图2 1 b ) l 3 6 0 钢母材的组织( f + p ) 试验母材的金相组织 表2 1 试验用母材的化学成为( w t ) q 3 4 5 b l 3 6 0 5 0 2 0 0 2 0 o 5 5 s 0 2 20 10 o 2 5 1 0 1 6 1 1 1 3 1 ，0 0 4 0 4 6 0 2 2 2 5 表2 3j 5 0 7 焊条熔敷金属化学成分( w t ) cm ns isp n ic rm ov s 0 12s 1 6 0 0 7 5 2 5 m p a ) ，所以首先要考虑焊接过程中，焊接残余应力与内压共同 作用下的等效应力是否会达到材料所能承受的最大强度。另一方面，焊接结束后， 燃气管道需要恢复到正常工作，即其内部压力将由3 m p a 回升到4 m p a ，这就需 要研究此时焊缝区的等效应力会不会达到材料的屈服强度。管道的材料是l 3 6 0 ， 屈服强度为3 6 0 m p a 。根据第二章的焊接工艺，选择等匹配强度的j 5 0 7 低氢钠型 焊条，其焊接接头强度不低于4 9 0 m p a 。 5 2 弹塑性材料强度理论 由于材料属性不同，其断裂方式可以分为两大类，分别为脆性断裂的强度理 论和塑性屈服的强度理论。本课题研究的碳钢属于弹塑性材料，因而本文只讨论 与其有关的畸变能理论( 也称为第四强度理论) 。 对于弹塑性材料的断裂，比较经典的两个强度理论是最大切应力理论( 第三 强度理论) 和畸变能理论( 第四强度理论) 。最大切应力理论认为处于复杂应力 状态下的材料，只要其最大切应力k 。达到该材料在简单拉伸下出现屈服时的最 第五章环焊缝结构模拟及结果分析 大切应力值凫，材料就发生屈服而进入塑性状态。这一理论将金属材料的屈服视 为材料发生破坏，它使用于具有明显屈服平台的金属材料。但这种理论忽略了主 应力以对材料屈服的影响，而且在和一些试验中时发现，畸变能理论比最大切 应力理论更接近实际结果。 单元体在三向应力状态下储存有体积改变能密度和畸变能密度，如果材 料处于三向等值压缩，即q = = 皿= p ，人们发现三向压应力可达到很大，而 材料并不过渡到失效状态，这时单元体只有体积改变能，而无畸变能。这表明体 积改变能的大小与材料的失效无关，于是提出了畸变能理论。该理论认为：当单 元体储存的畸变能密度达到单向拉伸发生屈服的畸变能密度地。时，材料就进 入塑性屈服，即 2 单向拉伸时，q = 吒，c r 2 = 玛= 0 ，利用材料畸变能密度d d 的表达式 得 ( 5 - 1 ) = 专芋【( q c r 2 ) 2 + ( c r 2 一吧) 2 + ( c r 3 一q ) 2 】 ( 5 - 2 ) = 等吒2 2 吉吒。 材料在复杂应力状态下的屈服条件： 即 ( 5 - 3 ) 号手【( q 一吒) 2 + ( c r 2 一吧) 2 + ( c r 3 一q ) 2 】_ 与等吒2 ( 5 4 ) 在上式中引入安全因数得到第四强度理论的强度条件： 4 l ( 5 - 5 ) 第五章环焊缝结构模拟及结果分析 墼! 生坐乓丛坐型血纠仃】 ( 5 - 6 ) 、 2 。l ，1、。7 以上是畸变能理论的奉质推导过程，它有时也被称为形状改变比能。a n s y s 软件中的等效应力就是应用根据第四强度理论建立的v o nm i s e s 准则【5 4 】。 5 3 结构模拟过程及结果分析 5 3 1 网格的划分 热学部分的网格划分较为密集，这是由于如果其网格密度过于粗大，就会导 致低温现象出现，即这个模型最低温度远远低于常温2 0 ，与实际情况差别较 大，从而造成误差。然而，对于结构模拟分析，倘若网格过于密集不仅会导致计 算时间过长，还会因为迭代次数过多造成误差较大。因此，在结构分析中本文将 模型重新划分网格( 图5 一1 ) ，这也是本文计算的一大创新点。 图5 1 力螭体网格 焊缝部分的网格依旧最精细，首先应用m e s h 2 0 0 单元对焊缝界而进行划分， 第五章环焊缝结构模拟及结果分析 单元尺寸规定为5 m m 。然后将面网格扫掠生成体刚格，