焊接熱輸入對承壓管道焊接修復的影響

盧玉秀* 李 強 曹永峰

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 前言

隨著我國經濟飛速發(fā)展、油氣管網日益完善，管道運輸在油氣資源合理分配與利用方面發(fā)揮著越來越重要的作用。在長期運行的情況下，管道不可避免會產生破損、腐蝕或老化，安全、高效地完成承壓管道的修復工作也就尤為重要。管道修復安全受到焊接工藝、施工環(huán)境、操作人員等諸多因素的影響。本文采用有限元分析軟件，對不同熱輸入情況下的承壓管道修復過程進行模擬，研究熱輸入對焊接溫度場、徑向變形等參數的影響規(guī)律，分析不同熱輸入情況下被修復管道的最大承壓能力，可為焊接修復過程提供工藝指導。

1 管道修復數值模型建立

1.1 幾何模型建立

與常規(guī)焊接相比，承壓管道在役焊接修復在不停輸的情況下完成，容易出現管道燒穿和氫致開裂[1],其中燒穿是在役焊接過程中首先需要解決的問題。管道是否發(fā)生燒穿失穩(wěn)主要取決于第一道堆焊層，同時考慮到修復管道受力與結構的軸對稱性，建立如圖1所示的分析模型，其管徑為460 mm，壁厚為6 mm。結合管道的實際修復過程，有限元分析過程中焊接熱源采用與實際相符的雙橢球熱源[2]，管道內外表面采用熱輻射換熱和對流換熱，同時，在管道截面添加剛性約束，在管道內表面添加均布壓力。模擬分析過程中的焊接工藝參數（如表1 所示），在保持焊接電壓、焊接速度、介質流速（5 m/s）不變的情況下，通過改變焊接電流獲得不同的焊接熱輸入。

圖1 管道在役焊接有限元分析模型

表1 焊接工藝參數

2 結果及分析

2.1 不同熱輸入下管道的溫度場分布

圖2 為不同熱輸入情況下管道的溫度場分布云圖。由圖2 可以看出，管道焊接修復過程中，在熱源移動的前方，其等溫線比較密集，溫度梯度較大，熱源后方的等溫線比較稀疏，其溫度梯度較小,焊接過程中焊接熱源的移動可對熔池前金屬進行預熱和熔池后金屬進行后熱。同時通過對三者進行比較可以看出，隨著焊接熱輸入增大，中間高溫區(qū)域逐漸增大，熔池后方整體溫度相對提高，但當焊接熱輸入增加到一定程度之后，熔池后方的低溫區(qū)域溫度反而一定程度上降低了。主要是因為隨著焊接熱輸入增大，能夠熔化的焊縫金屬區(qū)域增大，焊縫熔池尺寸增大，中間高溫區(qū)域逐漸增大，熔池后方金屬吸收熱量增加，溫度相對提高，整體溫度場區(qū)域擴大，但當焊接熱輸入過大之后，熔化尺寸（無論是熔深還是熔長都）急劇增大，焊縫熔池吸收熱量占主要部分，后方低溫區(qū)域則一定程度上有所減小。但對于焊接修復過程來說，熔池尺寸增大，承受管道內部介質壓力的有效壁厚相對應減小，管道發(fā)生燒穿的可能性增大，安全性降低。

圖2 不同熱輸入管道的溫度場分布云圖

2.2 焊接熱輸入對內壁溫度的影響

經過分析可知，隨著焊接熱輸入增大，焊縫熔池尺寸增大，此時管道內的溫度也隨之發(fā)生變化，管道內壁所能達到的最高溫度可以作為評價焊接過程安全性的一個重要指標。圖3 為不同熱輸入情況下管道某一點的管道內壁溫度隨時間的變化曲線。由圖3 可見，在3 種不同的焊接熱輸入情況下，管道內壁的溫度隨時間變化的趨勢大致相同，隨著時間增加管道內壁的溫度逐漸增大，在達到峰值后呈下降趨勢，即隨著焊槍不斷靠近，管道內壁溫度逐漸升高，在焊槍到達指定位置后管道內壁溫度達到最大，隨后焊槍逐漸遠離，管道內壁溫度開始降低。但不同熱輸入情況下，管道所能達到的溫度峰值并不相同，焊接熱輸入越大，管道內壁的峰值溫度越高。實際焊機修復過程中，管道內壁的溫度越高，管道內壁金屬的承載能力越小，同時焊縫熔池尺寸增大，用來承受管道內部介質壓力的有效壁厚越小，管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性越大。因此，可以通過分析管道內壁的峰值溫度結合溫度場分布來預測發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性。

圖3 不同熱輸入下管道內壁的溫度隨時間變化曲線圖

2.3 焊接熱輸入對徑向變形的影響

除了管道的溫度場外，焊接熱輸入也會對修復管道的應力場和徑向變形產生影響。在焊接修復過程中，管道承受的應力越大，管道產生的徑向變形也就越大，當管道變形超過管道的彈性極限或最大承載能力時，管道極易發(fā)生燒穿失穩(wěn)，因此研究焊接熱輸入對管道徑向變形的影響對于保障管道修復的安全也具有重要的意義。

焊接線能量分別為4.8、6.1、7.3 kJ/cm 時，徑向變形隨時間的變化曲線如圖4 所示。由圖4 可以觀察到，管道徑向變形與溫度隨時間變化曲線的趨勢基本相同，都是先增大達到一定峰值后再減小，最后減小幅度趨于平緩，并且溫度和徑向變形出現峰值的時間幾乎一致，即當溫度隨時間變化達到最大值時，徑向變形也達到最大。這是由于當溫度最高時，焊接接頭熔池深度最大量，相應的管道內壁的變形也將達到最大。同時，隨著焊接熱輸入增大，管道內壁徑向變形與溫度變化趨勢一樣，峰值也有一定程度增加，同樣可以通過管道內壁徑向變形來分析管道修復時發(fā)生燒穿的可能性。

圖4 不同熱輸入下管道內壁的徑向變形隨時間變化曲線圖

管道內壁的最高溫度會影響管道材料的強度及焊縫的熔池尺寸，需要進行進一步分析計算方可判定管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性。若管道變形達到管道的屈服極限發(fā)生塑性變形，管道徑向變形隨著焊接工藝參數的變化而急劇增大，就可大致判定管道是否會發(fā)生燒穿失穩(wěn)。

2.4 焊接熱輸入對修復管道可焊壓力的影響

由上述分析過程可知，焊接熱輸入對焊接接頭的溫度場分布、熔深、管道內壁溫度峰值以及徑向變形都有一定的影響，而最終都會對承壓管道修復過程的安全性產生影響。通過分析管道內壁達到峰值溫度時管道內壁的徑向變形就可對管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)的可能性做出判斷。圖5 為不同熱輸入情況下管道徑向變形隨溫度的變化曲線。通過對比可以發(fā)現，在3 種不同的焊接線能量下，管道徑向變形與壓力的關系曲線有相同的變化趨勢。首先以一定的斜率增大，然后直線斜率減小，增大幅度減緩。由圖5 可以看出，在轉折點出現之前直線斜率比較大，當增大壓力時相應的徑向變形增大幅度較小；而在轉折點之后直線斜率變大，當增大相同壓力時徑向變形增大幅度突然增大。這主要是由于在壓力較小的情況下，管道在焊接過程中主要發(fā)生彈性變形，且隨著壓力增大呈直線增加，但當壓力增大到一定程度后，焊接熔池下方未熔化的金屬強度不能抵抗其所承受的應力，管道徑向變形開始急劇增大，達到塑性變形階段，管道發(fā)生燒穿失穩(wěn)，此時對應的壓力也就是焊接修復過程管道所能承受的最大介質壓力，一旦超過該壓力，在該焊接熱輸入情況下實施焊接就會發(fā)生燒穿，引發(fā)安全事故。

圖5 不同熱輸入時徑向變形隨壓力變化曲線

同時對3 個圖進行比較后可以看出，在不同熱輸入情況下管道所能承受的最大介質壓力分別為4、3、1 MPa，即承壓管道在役焊接修復的可焊壓力隨焊接熱輸入增大而減小。這主要是由于隨著熱輸入增大，焊縫熔深增大，管壁上剩余的金屬厚度就越小，同時管道內壁溫度升高，材料強度降低，管道可以承受的壓力也就越小，當剩余管壁的厚度無法承受管內的壓力時，就會發(fā)生燒穿。

3 結論

（1）焊接熱輸入對管道溫度場、內壁峰值溫度、徑向變形都會產生影響，從而影響承壓管道修復過程的安全性，可以根據管道內壁峰值溫度結合焊縫熔池尺寸來分析管道剩余強度，或依據徑向變形發(fā)生塑性變形的轉折點來判斷燒穿失穩(wěn)發(fā)生的可能性。

（2）隨著焊接熱輸入增大，焊縫熔池尺寸增大，焊縫熔深增加，焊接溫度場溫度區(qū)域擴大，焊縫冷卻速度變慢。

（3） 焊接熱輸入越大，管道內壁的峰值溫度越高、管道的徑向變形越大，管道所能承受的介質壓力越小，焊接修復過程中的可焊壓力也就越小。