基于有限元分析的水下管道修復(fù)用自動(dòng)焊槍設(shè)計(jì)

孫昕輝 ，閆景鵬 ，汪 濤

（1.中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；3.中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海201512）

0 前言

水下管道修復(fù)用全自動(dòng)焊接對(duì)焊縫質(zhì)量要求很高，是一種特殊的水下焊接方法。水下焊接按照焊縫與水的接觸程度可分為濕式焊接、局部干式焊接和全干式焊接。19世紀(jì)80年代哈爾濱焊接研究所在國內(nèi)首先開始研究局部干式半自動(dòng)焊接技術(shù)。濕式焊接一般采用水下焊條進(jìn)行焊接，焊縫質(zhì)量較差；干式焊接技術(shù)的焊接質(zhì)量在這3種水下焊接方法中最好，但核電廠堆內(nèi)構(gòu)件焊接維修由于輻射原因，不允許在全干式環(huán)境下進(jìn)行。水下局部干式自動(dòng)焊接技術(shù)在水深較深等人工焊接難以進(jìn)行的場合有著重要意義。在此介紹基于FLUENT的水下高壓局部干法MIG自動(dòng)焊排水罩的設(shè)計(jì)[1]。

1 采用FLUENT流體計(jì)算仿真軟件進(jìn)行排水罩設(shè)計(jì)選型

1.1 罩體內(nèi)徑

罩體內(nèi)徑為排水罩的基本參數(shù)，為了兼顧緩冷效果和操作方便，通過冷卻到500℃所需要的時(shí)間和焊接速度等因素，確定罩體內(nèi)徑。

8 mm厚的鋼板堆焊焊接熱輸入為1.07 kJ/mm時(shí)，由800℃冷卻到500℃的時(shí)間t8/5=10.8 s，而從高溫冷卻到500℃還需要一段時(shí)間，實(shí)測(cè)結(jié)果t500=11.5 s。假設(shè)引弧點(diǎn)在罩體中心，要使焊接點(diǎn)由高溫冷卻到500℃后才接觸罩體外部的水，則罩體的最小內(nèi)徑為

式中 v焊=15～20cm/min。代入公式得Dmin=76mm?？紤]到實(shí)際焊接操作時(shí)罩體與焊槍相對(duì)位置偏差和試板厚度等因素，取D=90 mm。

1.2 用FLUENT進(jìn)行排水罩設(shè)計(jì)選型

排水罩罩內(nèi)氣體流動(dòng)穩(wěn)定性主要受罩體長徑比和排水罩進(jìn)氣方式的影響。

罩體長徑比越大，越有利于氣流穩(wěn)定。因此，在條件允許的情況下可盡量增大罩體長徑比，但考慮到實(shí)驗(yàn)要在高壓艙內(nèi)進(jìn)行，受艙內(nèi)空間限制，罩體長度不能過長，在130 mm進(jìn)行仿真計(jì)算。

排水罩的進(jìn)氣方式對(duì)罩內(nèi)氣流的穩(wěn)定性影響明顯，當(dāng)罩內(nèi)氣體為層狀或流束狀運(yùn)動(dòng)時(shí)，既可以減少氣流對(duì)電弧的擾動(dòng)，又有利于焊接煙霧的下壓、外排。排水罩的進(jìn)氣方式有徑向進(jìn)氣、切向進(jìn)氣和帶鎮(zhèn)靜氣室的環(huán)向進(jìn)氣3種，如圖1所示[2]。

圖1 切向、徑向和帶鎮(zhèn)靜氣室環(huán)向進(jìn)氣示意

采用FLUENT流體工程仿真軟件分析3種方案，通過對(duì)比罩內(nèi)氣流的速度和壓力云圖，選擇罩內(nèi)氣流最穩(wěn)定的一種。

1.2.1 模型假設(shè)及主控方程

流場模型建立在三維直角坐標(biāo)系下，提出基本假設(shè)條件：①焊接過程中，罩內(nèi)氣體比熱容等物性參數(shù)為常量；②流體為紊流不可壓縮均質(zhì)流體，氣體密度為常量；③流體為粘性個(gè)向同性的牛頓流體。

對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算的主控方程為：

連續(xù)性方程

運(yùn)動(dòng)微分方程

式中 u、v、w分別對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)軸x、y、z三個(gè)方向上的速度分量；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別對(duì)應(yīng)直角最表軸 x、y、z三個(gè)方向上的分量；ρ為密度；μ為電表動(dòng)力粘度系數(shù)。

1.2.2 建模及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Gambit軟件采用自下向上、由點(diǎn)到面再到體的建模方式，對(duì)3種方案分別建立三維模型；采用四面體非均勻網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格；設(shè)置入口、出口；生成三維有限元模型并生成mesh文件[3]，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.2.3 設(shè)計(jì)求解器、材料特性、邊界條件等并迭代計(jì)算

將mesh文件導(dǎo)入FLUENT軟件，設(shè)置求解器，采用靜態(tài)k-ε湍流模型。由于焊接實(shí)驗(yàn)中采用的MIG焊以Ar氣作為保護(hù)氣。因此，材料設(shè)置中設(shè)定材料為Ar氣，其具體的物性參數(shù)如表1所示。

將模型上部總進(jìn)氣口設(shè)置為速度入口，氣流速度117m/s。模型底部設(shè)置為壓力出口，壓力0.15MPa，相當(dāng)于15 m水深壓力。設(shè)定合理的收斂因子并設(shè)置殘差監(jiān)視器。設(shè)定迭代次數(shù)為1 000次。分別對(duì)3種進(jìn)氣方式的模型進(jìn)行計(jì)算。迭代計(jì)算后結(jié)果均收斂。

表1 Ar氣物性參數(shù)

1.2.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果

從FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果可以明顯看出：在焊槍所在位置，側(cè)向進(jìn)氣且無鎮(zhèn)靜氣室的排水罩罩內(nèi)氣流最為紊亂，氣體的壓力和速度分布都很不均勻，焊接時(shí)對(duì)焊接電弧會(huì)有較大影響，造成電弧紊亂。正向進(jìn)氣、無鎮(zhèn)靜氣室的排水罩罩內(nèi)氣流較側(cè)向進(jìn)氣的排水罩有所改善，但速度分布仍然不是很理想，排水罩上部氣流較為紊亂，不利于焊接煙霧的下壓和外排。在這3種進(jìn)氣方式中，正向進(jìn)氣且有鎮(zhèn)靜氣室的排水罩結(jié)構(gòu)最為合理，仿真結(jié)果最為理想。不論是罩內(nèi)的速度分布還是壓力分布都很均勻，氣體在鎮(zhèn)靜室內(nèi)得到了充分的緩沖，保證了罩內(nèi)氣流的穩(wěn)定。排水罩上部氣流的速度大于下部，能夠達(dá)到將焊接煙霧下壓和排出的目的，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 水下高壓局部干法自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)

通過水下高壓局部干法自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正向進(jìn)氣、有鎮(zhèn)靜氣室的排水罩的排水效果。焊接實(shí)驗(yàn)艙如圖4所示。

圖4 排水罩及高壓局部干法焊接實(shí)驗(yàn)艙

2.1 常壓排水效果實(shí)驗(yàn)

常壓排水實(shí)驗(yàn)采用氬氣作為排水氣體，實(shí)驗(yàn)表明：正向進(jìn)氣且有鎮(zhèn)靜氣室的排水罩的排水效果良好，罩內(nèi)氣體較為穩(wěn)定，從罩底排出的氣體形成的氣泡均勻且穩(wěn)定。試件表面無積水，能正常引弧，焊接電弧較為穩(wěn)定，焊接過程中沒有斷弧現(xiàn)象，焊縫成形良好，如圖5所示。

圖5 16Mn鋼常壓局部干法焊接焊縫

2.2 水下高壓自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)

排水罩安裝在高壓實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的水下自動(dòng)焊接平臺(tái)上，可以通過實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)焊槍及排水罩的高低、擺幅、擺速、排水氣流量、艙內(nèi)壓力、焊接電流、焊接電壓等參數(shù)進(jìn)行不同的焊接實(shí)驗(yàn)[4]。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可自動(dòng)進(jìn)行遮光調(diào)節(jié)的罩內(nèi)攝像機(jī)、水下攝像機(jī)和水上攝像機(jī)，在焊接過程中對(duì)焊接過程進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)。通過水下高壓局部干法自動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)正向進(jìn)氣、有鎮(zhèn)靜氣室的排水罩在實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)中的排水效果。實(shí)驗(yàn)采用MIG焊，在304不銹鋼板上進(jìn)行堆焊[5]。罩內(nèi)單路供氣排水，不再對(duì)焊槍供氣。在水下壓力為0.15MPa、排水罩供氣氣體流量120L/min的條件下，排水罩出口氣流排出穩(wěn)定，試件表面無積水，能正常引弧，焊接電弧較為穩(wěn)定，罩內(nèi)電弧形態(tài)如圖6所示。焊縫正面和背面成形較好，如圖7、圖8所示。試件經(jīng)超聲探傷無缺陷，焊縫質(zhì)量合格。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，正向進(jìn)氣、有鎮(zhèn)靜氣室排水罩設(shè)計(jì)合理，內(nèi)部氣流穩(wěn)定，焊接時(shí)罩內(nèi)電弧能夠穩(wěn)定燃燒，滿足15 m以內(nèi)水下高壓局部干法管道修復(fù)自動(dòng)焊接的設(shè)計(jì)要求。

圖6 水下壓力為0.15 MPa的罩內(nèi)電弧

圖7 0.15 MPa壓力水下局部干法堆焊焊縫背面（10 mm厚304不銹鋼板）

圖8 0.15 MPa壓力水下局部干法堆焊焊縫正面（10 mm厚304不銹鋼板）