相貫管端的切割研究及其焊材用量計算

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(深圳赤灣勝寶旺工程有限公司, 廣東 深圳 518068)

相貫管端的切割研究及其焊材用量計算

許星，張建萍，李世森，吳振華，楊燕琴

(深圳赤灣勝寶旺工程有限公司,廣東深圳518068)

導(dǎo)管架建造中存在著大量的管與管相貫焊接節(jié)點，而管端切割的準(zhǔn)確性會直接影響到節(jié)點焊接的質(zhì)量。為了能切割出準(zhǔn)確的管端，該文在理論分析的基礎(chǔ)上對以往使用的相貫線方程進(jìn)行了修正，并提出了一種較易實現(xiàn)的計算相貫管端焊材用量的方法，用該方法編制出計算軟件，將軟件計算結(jié)果與實際用量進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明該方法精確度高，為今后計算相貫管端焊材用量提供了參考。

導(dǎo)管架；相貫線；焊材用量；管端坡口；焊根間隙

0 引言

導(dǎo)管架是海洋固定平臺的基礎(chǔ)，由若干鋼管焊接成主結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)管架建造過程中，涉及到大量的管與管相貫及焊接工作，當(dāng)支管與主管相貫時，支管相貫線及坡口切割的好壞會直接影響到焊接質(zhì)量。目前導(dǎo)管架建造公司的管端切割均采用國外先進(jìn)的數(shù)控切管機，國內(nèi)也正加快對數(shù)控切管機的理論研究。肖聚亮等[1]通過理論推導(dǎo)結(jié)合仿真計算，研究了火焰數(shù)控切管機割炬的運動軌跡；秦元飛等[2]對一種五軸數(shù)控切管機的運動控制進(jìn)行了研究分析。在這些研究中，切管機割炬的運行分析都是基于管端的相貫線方程，而在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)相貫線方程切割出的管端坡口往往不準(zhǔn)確，因為相貫管端在焊接時一般在焊接根部需要留有一定的間隙，而相貫線方程則適合管端緊密連接在一起的情形。該文將對已有相貫線方程進(jìn)行修正，將焊根間隙作為一個參數(shù)加入到相貫線方程中，修正后的相貫線方程既可以指導(dǎo)數(shù)控切管機切割出準(zhǔn)確的管端，也可以用來編制與數(shù)控切管機相配套的切管程序。

圖1 管與管相貫?zāi)Ｐ?/p>

1 焊接管端切割的數(shù)學(xué)模型及其修正

1.1相貫線方程的數(shù)學(xué)模型

兩管相貫時，支管馬鞍口的形狀可由管與管相貫的相貫線方程以及相貫線上每一點的切割角來唯一確定。兩管相貫的模型如圖1所示。

圖1中：d為支管(被切管)的直徑；t為支管壁厚；D為主管的直徑；α為軸交角；e為兩管的偏心距；θ為支管橫截面上的角度增量。支管內(nèi)壁與主管外壁的相貫線方程表示為[3]：

(1)

在導(dǎo)管架建造中，管端馬鞍口的焊接形式一般為坡口焊接。相貫線上任一點坡口角的取值應(yīng)根據(jù)美國石油學(xué)會(APIRP2A)和美國焊接學(xué)會(AWSD1.1)有關(guān)規(guī)范來確定。理論二面角、坡口角以及理論切割角ρ的關(guān)系為：ρ =π/2-ψ+φ。

1.2相貫線方程的修正

考慮到被切管的切割是在其支軸剖面內(nèi)完成的，而理論切割面則是與相貫線垂直的平面，因此實際切割面與理論切割面并非是同一個平面，它們之間有一個偏移角，即坡口修正角w，且w=arctan[(sinθcosα-cosθtanφ)/sinα]。在實際切割面內(nèi)，實際二面角、實際切割角以及實際坡口角分別為：ψ′=arctan(tanψ/cosw),ρ′=arctan(tanρ/cosw)，φ′=ψ′+ρ′-π/2 。

圖2 帶有焊根間隙的坡口圖

另一方面，相貫線是指支管內(nèi)壁與主管外壁相交的線，但實際上導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)的管端焊接都要求是熔透焊，為了保證焊接質(zhì)量，在焊接的根部必須保證有一定的間隙，即焊根間隙R。同樣，R是在理論切割面內(nèi)定義的，在實際切割面內(nèi)焊根間隙R′為：R′=R/cosw，具體情形如圖2所示。

數(shù)控切管機在切管時運動軌跡是依據(jù)相貫線方程來確定的。式(1)所示的相貫線方程沒有考慮焊根間隙，在這種情況下，焊根間隙一般通過沿支管軸線方向移動支管來獲得，圖2中的值即是移動的距離。通過這種方式得到的焊根間隙為：

(2)

由于是平移，G′為常數(shù)。由上式可知，焊根間隙會隨著位置變化而改變，但實際上應(yīng)保證焊根間隙在任何地方都相等。為此只需將焊根間隙R視為常數(shù)，同時注意到G′的方向和支軸方向z軸一致，因此可以將相貫線方程做如下修正：

(3)

式中：G′=R/(sinψcosw)，當(dāng)焊根間隙R=0時，相貫線方程回到以前的形式。

2 焊材消耗計算

2.1焊縫體積的計算

參考圖1 ，在支管的橫截面上將焊縫按照角度增量θ進(jìn)行等分，將整個焊縫體積看成是若干個小體積的疊加。每一個小體積近似等于等分后的弧長乘以焊縫在支軸剖面上的面積。

依據(jù)AWSD1.1，不同二面角對應(yīng)的焊接填充形式不一樣，將法剖面上的焊接規(guī)范細(xì)節(jié)圖轉(zhuǎn)化到支軸剖面上，如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)中焊材實際填充區(qū)域為ABCD，由于每個區(qū)域形狀都是不規(guī)則的，并且規(guī)范中也并未給出足夠的能準(zhǔn)確計算出該區(qū)域面積的數(shù)據(jù)，因此將圖中填充區(qū)域進(jìn)行近似替代，用區(qū)域ABCE代替ABCD。E點的選取分別按如下方式：圖3(a)中取AB等于BF；圖3(b)中E點是支管外壁沿支軸方向延長后與主管外壁的交點；圖3(c)中取AE垂直于AB。這樣選取之后，區(qū)域ABCE的面積在很大程度上能和實際面積相近，面積的計算也比較容易，將區(qū)域ABCE的面積分成S1和S2兩部分。

圖3 不同二面角的坡口焊縫圖

對于圖3(a)，即3π/4<ψ≤π時：

(4)

S2=lR′sinψ′+R′2sin2ψ′tan(φ′/2)/2

(5)

式中l(wèi)為AB的長度，表示如下：

(6)

對于圖3 (b)，即π/2<ψ≤3π/4時：

S1=l2sinφ′sin(ψ′-φ′)/2sinψ′

(7)

(8)

對于圖3 (c)，取π/6<ψ≤π/2，此時：

(9)

(10)

若將支管橫截面分成n等分，則第i個體積可以表示為：

(11)

焊縫總體積為：

(12)

根據(jù)以上分析，管與管相貫焊縫的總體積能通過許多小體積疊加得到。這些小體積的計算也根據(jù)二面角的不同而采取不同的近似公式。該文中所采取的近似公式是依據(jù)AWS焊接規(guī)范以及實際焊接情況來確定的。若焊接規(guī)范不同或者對實際焊接情況有特殊要求時，可以對計算公式做一些適當(dāng)?shù)母淖兒驼{(diào)整，一般而言，若所有二面角對應(yīng)的區(qū)域面積都用式(9)、式(10)來計算，計算結(jié)果將會較大，而用式(5)、式(6)計算的結(jié)果次之，用式(7)、式(8)計算的結(jié)果較小。

2.2焊材消耗量的計算

由于馬鞍口橫截面的不規(guī)則性，焊接材料消耗量CX可用下面公式進(jìn)行計算：

(13)

式中：CX為焊接材料；VT為焊縫體積；Kh為定額計算系數(shù)，主要考慮焊接中立焊、仰焊、橫焊，以及燒損、飛濺等一些必要的焊材損耗；ρd為焊接熔敷金屬的密度。

3 焊材消耗計算軟件

圖4 焊材消耗計算軟件輸入界面

為了更有效地對大量焊材消耗進(jìn)行計算和統(tǒng)計，編寫出相應(yīng)的計算機軟件是非常有必要的。該文利用C語言來編寫軟件，軟件可以通過輸入管端的相關(guān)參數(shù)以及焊縫的編號，輸出該焊縫的體積以及填充金屬質(zhì)量，并將這一結(jié)果存儲到指定的文件內(nèi)以便于匯總。

軟件的輸入界面如圖4所示。為了驗證軟件的可行性，在實際工程中選取一些相貫管端，統(tǒng)計每一道焊縫的實際焊材消耗量，將其和軟件計算的結(jié)果進(jìn)行比較。焊接方式為手工電弧焊，式(13)中的定額計算系數(shù)Kh=1.71，計算結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，由軟件計算出的焊材消耗與實際消耗相差不大，誤差控制在5%以內(nèi)，個別差距較大的是由工程建造中的一些誤差導(dǎo)致，比如卷管時卷出的管會有一定的橢圓度，管與管對接時也容易產(chǎn)生偏差等。

表1 軟件計算結(jié)果與實際消耗量比較

4 結(jié)論

為了能切割出符合實際工程的管與管相貫端部，該文將焊根間隙做為一個參數(shù)加入到相貫線方程中，為后續(xù)工程中管端部的切割以及焊接工作提供了良好的保障。此外，提出一種用于計算管與管相貫焊縫焊材用量的方法，并用語言編寫出相應(yīng)的軟件程序，可以實現(xiàn)對焊材用量的快速計算。同時，將軟件計算出的焊材用量與實際用量進(jìn)行比較，結(jié)果表明該方法擁有較高的精度。

[1] 肖聚亮, 閻祥安, 王國棟等. 火焰數(shù)控切管機割炬軌跡研究及仿真[J]. 機械工程學(xué)報, 2005, 41(4): 234-238.

[2] 秦元飛, 李權(quán)才, 肖聚亮等. 五軸火焰數(shù)控切管機割炬位姿控制[J]. 中國機械工程, 2011, 22(8): 922-925.

[3] 王國棟，李新強，肖聚亮等. 管材相貫接頭焊材用量的參數(shù)化計算[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版), 2013, 46(3): 250-256.

CuttingResearchandWeldingMaterialDosageCalculationofIntersectingPipes

XU Xing, ZHANG Jian-ping, LI Shi-sen, WU Zhen-hua, YANG Yan-qin

(Shenzhen Chiwan Sembawang Engineering Co., Ltd, Gnangdong Shenzhen 518068，China)

Jacket construction involves numerous welding joints of intersecting pipes, as the quality of the welding joints depends on the cutting accuracy of pipe end. Revised formula of intersecting curve is built based on the theoretical analysis so as to cut more accurate pipe end. Besides, an easy method is proposed for welding consumption calculation of intersecting pipes and used for programming calculation software. The result of the software and the real consumption are compared and analyzed.

jacket； intersection line； welding consumption； pipe end groove； welding gap

2014-04-10

許 星(1987-)，男，碩士研究生。

1001-4500(2015)01-0075-04

TG441

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