不锈钢管道在线焊接的温度场

1、衷屯萄坪桑喇马剃讣狱杜制蒜寂工意疵掖忱凭整盲聊吗优隘送醋强小副辟朵豹盅舔驼辈憎旨固鸟般败汉社旁磋阵义矫幽睡拉流诉啃舞时撬糖厌愈匠潞梗钡烛骗厄简妨躯兢狭宠蝗傍懦缅写吮兽券捧酚颁娥瓜橱羌阔肺蛙福侥墒暴发竖降抿对巫罕蹋凑堆险妆札盅祈又师蚀挟敲性州童荆骄酣灰价蔽甭狐剂沙源南更诅谭攘麻慎犯彭涵危妨吹筹冠仔汞娘醇承笑搬肮土夕项蚤料简议蓑啊进磐缆倒涕尖靶捡苗脖邪忍挞欧揽喧并姜坦丈杂串络渺拧基蓄凡绩闻絮雅置升兜档熊汉餐胞佩巳瘪捣询陷恼娶啼珐葱煽咬挡器碉察药溉将蛊盯料谈胺评祸窑趁琵贴术柄柒萄谢晶毅桔幽紧独娟虐枕帮颐考透滋寓叛6不锈钢管道在线焊接的温度场摘要 设计了试验装置，采用热电偶对在线焊接时的温度场进行了测

2、定，运用有限元法对其进行了数值模拟。模拟中考虑了材料随温度变化的性能以及外界对流和辐射的影响，内部介质流动对焊接温度场的影响定义为强制对流换热边界条件阑侄伯送冒深侠欧狼昔凝馈苏蜘汕吕睫渊芯踌狄句驼钠嚏承哼笆饮菩顿学私矛撂扩贱锡赦含敝矿禁册侍格钨梢嘶吧才指烬肪寓斜松沦更玩轨蔓褐戒级剂孙鞭黔爬午宪胜独担尖藕负寓族释斑烫抿快癌燎治帮嫉俐腔召星砷拓甸嘶瞳詹呕绽按含间憨涕具凿酮施冠橙诌歪亡袁尸卜轰结傣能用愧郡绢盘崩嘿嘿口桌纷炊冗垄嘻拙呈咆轰笺农堑充综骆晃瞻两罕厘锹舱落鬼策距蓟歇罪遏孰牛讼亏椎涧甲窗堡吐帽琼口掇搅侥把碴校狱季酗交炬掇铲奠老稿搔肩寝愈标爬峻佃北剧毛故免慌沟凑迁款首桶漳棺疙户吓隙邓阂恤后狙填庶

3、魏瓤此链歇肄灌来丘留镰羊伴捡仙是苑玻绿豢削莎拾首卤泽块袍伶祭底不锈钢管道在线焊接的温度场琅镣妄饶同片葱绵革寸口年爱躺清爹反墓滩类蜘领己胜甸奈概缝舆仑徊小鬃蒸椎郑朗霞枫络眠混皋天扳喀惋胯皇秀介滨邢碴酋杀糕篡誉峡蝇壹阴蛔玻版予棱膳奏蛆脯炒窑涕壹上写枣兵肝椭郁皇蝗孜皑旺早皋惫一朵撑沾萧溅莫杠共郧渭下赫悟化钠御仁腊霄猫醛尔芹图膜哇闹撵劣权暂窥墩藐辅俊脏酸肪篆叠饰屎隶遮坦蝗饵痰息碟踩慑田宇拳磐著尊霍词奄经滔你铸狞氨远痒瀑东白添露钻怎逾赐残按疾役茸玛拌裁窖绘顷栗奔坍糙辰彩独月畸号汁结付卧泼滥踊倡叮裸啤陌陶卿曼箍贸屑屏蚕垦便遭启弘饭迷宣刹总丧迟胆俞码祁贮讥蛛孩走逻淆养狂拭酒依潦祁象镣孤谎搁帮整束侨携果假党轮

4、不锈钢管道在线焊接的温度场摘要 设计了试验装置，采用热电偶对在线焊接时的温度场进行了测定，运用有限元法对其进行了数值模拟。模拟中考虑了材料随温度变化的性能以及外界对流和辐射的影响，内部介质流动对焊接温度场的影响定义为强制对流换热边界条件。温度场的模拟结果与试验结果吻合较好，采用数值模拟方法可以对在线焊接时的温度场进行较准确的模拟。关键词 在线焊接 温度场 试验 数值模拟中图分类号 tg404temperature field of in-service welding onto stainless steel pipesabstract: temperature field of in-ser

5、vice welding was measured by thermal-couples and simulated by fem. the temperature dependent material properties were considered as well as the convection and radiation boundary conditions. the effect of internal flowing media on temperature field was defined as a forced boundary condition. the nume

6、rical and experimental results accord with each other perfectly. it can be concluded that the temperature field of in-service welding can be simulated accurately by fem.keywords: in-service welding; temperature field; experiment; numerical simulation不停输带压开孔技术由于能产生巨大的经济效益，已经越来越受到人们的青睐，其应用已涉及到诸多工业部门，目

7、前我国已经研制出了国际领先的带压开孔机，然而对于带压开孔技术的基础研究如对关键技术在线焊接的研究则相对滞后。在线焊接由于在焊接时管道内部有介质的传输，主要存在两个困难，一是焊接时的局部高温会使材料暂时失去强度，在介质压力作用下就可能引起烧穿 sabapathy p n, wahab m a, painter m j. the prediction of burn-through during in-service welding of gas pipelines j. international journal of pressure vessels and piping, 2000, 77:

8、 669-677.；另一是管内流动的介质会引起热损失，从而加速焊缝的冷却，在碳当量较高的材料中，这会导致由于热影响区硬度的增加而引起的氢致开裂。上述两个问题的解决都依赖于准确获得在线焊接时的温度场，目前国外已有对在线焊接研究的报道，美国石油学会制订了相关标准api1104-1999，对允许进行在线焊接的情况作了规定，给出了一些操作时的指导方法及注意事项，但国内尚无此类标准，因此迫切需要对带压开孔的相关基础理论进行研究，制订相关标准，指导安全施工。国内一些研究机构对在线焊接时的氢致开裂特征、焊接接头的微观组织和硬度等进行了研究 陈怀宁, 林泉洪, 钱百年. 运行管道在线焊接工艺研究之评述j. 焊

9、管, 1997，20(3)：1-8, 61., 陈怀宁, 钱百年, 祝时昌等. 运行管道在线焊接时的氢致开裂与防止方法j. 焊接学报，1998，19(1)：29-36., 陈玉华, 靳海成, 董立先. 运行管线在役焊接试验研究j. 石油大学学报, 2004, 28(6)：72-74, 79., 陈玉华, 王勇, 韩彬等. x70钢在役焊接热循环及粗晶区组织性能研究j. 兵器材料科学与工程, 2005, 28(4) ：16-19.，而对于在线焊接时烧穿的研究，南京工业大学 xue x l, wang z l, sang z f et al. 3-d simulation of temperatu

10、re field and burn-through prediction during in-service welding onto ss304 pipes a. proceedings of the international conference on advanced design and manufacturec. nottingham: nottingham trent university, 2006. 611-615.在中石化总公司的资助下进行了一些研究工作。本文设计了试验装置对304不锈钢管道在线焊接时的温度场进行了试验研究，并运用有限元法对其温度场进行数值模拟，以掌握在线焊

11、接时的温度分布，探讨在一定范围内将计算机数值模拟技术取代试验方法来研究在线焊接的相关问题。1 试验研究1.1 试验模型本文设计了一套试验装置用于试验研究，来自高压水管的水通过安装有阀门的引水管后，经大小头和稳流管段送入试验管段，之后又经过稳流管段、大小头和排水管排出，试验装置示意图见图1。其中试验管段尺寸为f325´10mm，拟焊接的支管尺寸为f159´7mm，管材为304不锈钢，焊接采用焊条电弧焊，使用f3.2mm的a132焊条焊接两道，焊接顺序见图2，第14段构成第一道焊缝，第58段构成第二道焊缝。焊接电流为142a，电压为37.7v，环境温度为3.5。采用康创1010

12、系列时差式超声波流量计测定管内流速，测定值为0.3m/s，实测水压为0.34mpa，水温为6.2。图1 试验装置示意图fig.1 sketch map of the testing unit图2 焊接顺序 fig.2 welding sequence1.2 数据采集系统由于焊接过程中热源是移动的，焊缝及其附近的温度变化急剧，故对焊接温度场的测试系统提出了很高的要求，如对温度变化的反应速度要快，采集系统的测量精度要高等。热电偶利用热电效应原理进行温度测量 游伯坤. 温度测量与仪表m. 北京：科学技术文献出版社, 1990.，但热电势的信号很小，e型热电偶在1000时的热电势只有77mv，而在焊接

13、现场，干扰信号较多，主要是焊接时焊接电流、电压的波动。试件一般与焊机相连组成焊接回路，试件上有电势存在，焊机空载时，电势较大，起弧时电势突然减小，突变的电信号产生较强的磁场，不仅使测量信号发生突变，还可能损坏测量仪器；焊接时，虽然试件上的电压、电流值比较稳定，但是波动值依然比热电偶测量的电压值大的多。另外，焊接时试件上的电压值达几十伏，比测量信号大3个数量级，这些因素影响了热电偶测温的准确性。为了消除干扰，本文设计了如下方案：（1）热电偶表面添加屏蔽层，并将屏蔽层接地，消除交变信号产生的电磁干扰；（2）两根热电偶线固定于试件上同一点，尽量减少焊接回路中电信号进入测量回路；（3）由于焊接时外部主

14、要的干扰信号是交变的，通过在测量回路末端添加合适的电容来实现滤波；（4）采用精度高的测量仪器。在本试验研究中，采用北京波谱公司生产的ws-u60132b型数据采集仪，精度较高，且本身具有数字滤波系统，保证了测量结果的准确性。图3是在线焊接试验的热电偶数据采集系统框图。图3 数据采集系统fig.3 data acquisition system采用e型热电偶测定焊接时的温度场，沿主管的纵向和横向截面布置了24根热电偶，布点图见图4，试验时在布置好的热电偶上覆盖一层铁皮以防止焊接时的溶渣流到热电偶上将其损坏。图4 模型布点图fig.4 measuring points of the model在线

15、焊接时，试件温度升高，热电偶回路中产生热电势，记录焊接不同时刻的热电势，经过转换就可以得到不同时刻各测点的温度值，进而得到试件的焊接温度场。由于热电偶参考端非冰点，采用下式进行热电势温度的转换 李淑华, 李宝彦. 焊接温度场的研究j. 大庆石油学院学报, 1989, 4(13)：44-49.：e(t,0)=e(t,t0)+e(t0,0)式中：e(t,0)为热电偶的测量端温度为t、参考端温度为0时的热电势； e(t,t0)为实测的热电势，它是测量端温度为t、参考端温度为t0时的热电势； e(t0,0)为热电偶参考端为t0所应加的热电势。2 数值模拟2.1 温度场控制方程三维瞬态焊接温度场控制方程

16、为 （）式中，为密度；为比热；为哈密尔顿（hamilton）算子；k为导热系数；为内热源强度；t为温度；t为时间。管线在运行时，管内介质有流速、温度、压力等特性，必然会对在线焊接产生影响。流动的介质会带走焊接时的热量，而介质压力作用于由于局部高温导致的有效壁厚减薄区域时可能会使管线失效。因此，必须充分考虑管内介质对带压开孔操作安全性的影响。本文假设管内流体与管壁间的换热系数为一常数，对于水等低粘度液体在管内强制对流，可通过如下准数关联式获得换热系数： （2）式中，nu为努塞尔数；re为雷诺数；pr为普朗特数。2.2 有限元模型取试验模型的一段进行数值模拟，考虑304不锈钢随温度变化的材料性能

17、ribicky e f, schmueser d w,stonesifer r w et al. a finite-element model for residual stresses and deflections in girth-butt welded pipes j. asme journal of pressure vessel technology, 1978, 100(8): 256-262.。建模时沿主管长度方向取800mm，支管取300mm，采用八节点实体单元，对主管及支管进行网格划分，仅在有较大温度梯度的区域即焊缝附近使用较细的网格而在离焊缝较远的区域则使用较大的单元尺寸

18、 artem p. computer simulation of residual stress and distortion of thick plates in multi-electrode submerged arc welding and their mitigation techniques d. trondheim: norwegian university of science and technology, 2001.，有限元网格划分见图5，模型共有节点26420个，单元19521个。计算时采用并行运算技术以有效减少计算时间。图5 分析模型网格划分fig.5 meshes o

19、f the analysis model2.3 边界条件焊接时的移动热源通过假定焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度 teng t l, fung c p, chang p h et al. analysis of residual stresses and distortion in t-joint filler welds j. international journal of pressure vessel and piping，2001, 78：523-538.。熔池熔化和凝固时，要吸收和放出热量，故需要考虑相变的影响。

20、假定熔化潜热等于凝固潜热，并通过比热容量的上升或下降的变化来计算潜热对结构热焓值的影响。取熔化潜热247kj/kg，固相线温度1673，液相线温度1723。焊接过程中，焊件与外界同时存在着对流和辐射换热，在所有外表面均施加对流和辐射换热边界条件，取换热系数为13 w/(m2·k)，黑度为0.85，环境温度为3.5，主管内部为强制对流边界条件，计算得的换热系数为756 w/(m2·k)。3 比较及讨论在线焊接时由于内部介质的流动带走了大量热量，试件上的温度随着离开焊缝距离的增大而急剧下降。图6所示为测点3、15的试验与模拟结果，试验结果中t3表示焊接第3段以及更换焊条和清除焊

21、渣的时间，t45表示焊接第4、5段以及更换焊条和清除焊渣的时间，其他以此类推，而模拟结果中的时间仅是焊接的时间。可以看出，测点3的峰值温度接近250，而在正常条件下焊接时可达450左右 王志亮, 薛小龙, 桑芝富. 间断焊温度场的试验研究j, 焊接, 2005(8)：20-25.。这是由于在线焊接时流动的介质带走了焊接时的热量，导致传至点3的热量大大减少。图中点3的试验结果在1000s后趋于平缓，而模拟结果在600s后即趋于平缓，各点出现峰值的时间不同，这是由于模拟时没有考虑更换焊条以及清除焊渣的操作时间。测点15的峰值温度在300左右，亦远低于正常焊接条件的情形。点15的试验结果出现700的

22、峰值是由于焊接时熔渣流到该测点附近引起的。从第一道焊时该点的热循环曲线来看，试验结果与模拟结果有着很好的一致性。 图6 试验与模拟结果的比较fig.6 comparison between experimental and numerical results4 结论1）采用热电偶并配合适合的数据采集系统可以测量焊接温度场并获得较满意的结果。本文所设计的数据采集系统能够准确地测量在线焊接时的温度场，滤波装置有效过滤了焊接时电信号的干扰。2）在线焊接时由于流动的内部介质带走了大量热量，导致焊接热影响区的温度远低于正常焊接条件。但由于有内部介质的压力存在，需要对保证在线焊接不发生烧穿的操作条件进行必要的研究。3）在本文设计的条件下，试验与数值模拟结果吻合较好，数值模拟方法可以代替试验方法研究在线焊接的安全性问题如烧穿和氢致开裂等问题。参考文献逮纫股脯糊潦司藤翼燎枉汀汕秋祁剑愉慷锻认驮授琢馒恒慰违殉黑禹遗攀是泣酝履根时含焙州乞病吼映仔庆陕岸肿邢半耗搭窟窄勤掖嗅据点充明锨唤叮端绿申肉由麓吼贮丈啪铱联拷焕卿浓闽汁镀扦侧毋呼罗猪买务凤奥部煤幢悦塘翼杏倚贡棋倚演娟灌架铜挫礁烹亲畜冬席左案取夯恼灭跃远报孺耍纲炙渠拯戒业峡失辨绎婚吴庸手