不同參數對在役焊接修復管道徑向變形的影響

盧玉秀* 李 強 蘇光軍 薛紅香

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 前言

隨著我國管網體系日益完善，管道在油氣輸送中發揮著越來越重要的作用。但在長期運行過程中，管道不可避免會發生腐蝕、老化、機械損傷等問題，為了保障管道安全運行、節約修復成本，安裝套管或支管等在役焊接修復技術也發揮著越來越重要的作用[1-2]。與常規焊接相比，在役管道焊接修復技術在不停輸的情況下完成管道焊接工作，易導致其出現燒穿和氫致開裂[3]等缺陷，而其中燒穿是在役焊接修復過程中首先要解決的問題。

實際上，燒穿是由管道內的介質壓力和焊接應力共同作用使管道徑向變形量超過一定限度引起的。本文將采用有限元分析軟件對在役管道焊接修復過程進行模擬，研究在不同焊接熱輸入及管道內的介質壓力下，管道內壁徑向變形的變化規律，從而確定管道在役焊接修復時的可焊壓力。

1 在役管道焊接數值模型的建立

1.1 幾何模型的建立

在役管道焊接修復過程中，管道是否會發生燒穿失穩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 a）所示的1/2 管道模型，管道長度為80 mm，管徑為610 mm，壁厚為8.7 mm。管道的網格劃分情況如圖1 b）所示，靠近焊縫區域的模型網格劃分比較密，而遠離焊接區域的網格劃分則比較稀疏，這樣既可以保證計算的準確性又能節省計算時間。

圖1 管道在役焊接有限元分析模型

1.2 熱源模型

結合管道在役焊接修復的情況，有限元分析采用與實際相符性較高的雙橢球熱源[4]。結合實際焊接工藝，采用數值模擬軟件對熱源模型進行校核，保證最終所獲得的熔池形狀與實際相符。

1.3 邊界條件及約束

在役焊接修復過程中如果管道內存在介質的流動，則不可避免會帶走一部分熱量，為了使模擬條件盡可能苛刻，本文主要進行無介質管道修復過程的有限元分析。管道內外表面均與空氣接觸，所以管道表面的熱交換方式為熱輻射換熱和空氣自然對流換熱，其換熱系數為：

式中：T0——環境溫度，取20 ℃；

T——焊接接頭與空氣表面的接觸溫度，℃。

同時，在進行有限元分析時對管道截面添加剛性約束，在管道內表面添加均布壓力。

2 計算結果及分析

無論是常規焊接還是在役焊接修復，只要管道內壁未失去承載能力，能夠承受管內壓力和焊接應力的共同作用不發生燒穿失穩，那么管道的焊接過程就是相對安全的。圖2 為在役焊接修復過程中，管道內壁某一點的內壁溫度和徑向變形隨時間的變化曲線。由圖2 可見，在奧氏體轉變溫度附近，由于鐵素體向奧氏體轉變時比體積發生變化，徑向變形隨內壁溫度升高而降低，在其他溫度范圍內，二者變化規律基本保持一致。管道內壁溫度達到最高之后其徑向變形也隨之達到最大。只要出現最大徑向變形時刻管道不發生燒穿失穩，則整個焊接修復過程是安全的，所以本文通過分析修復過程中管道內壁的最大徑向變形量來確定管道可焊壓力。

圖2 管道內壁溫度和徑向變形隨時間變化曲線

2.1 管內壓力對管道內壁徑向變形的影響

圖3 為管道的最大徑向變形隨管內壓力的變化曲線。由圖3 可以看出，在一定的壓力范圍內，管道內壁的最大徑向變形量隨管內壓力增大而呈線性增大，管道內壁處于彈性變形階段；但當管內壓力增大到一定范圍后，管道的剩余強度不足以抵抗管內壓力與焊接應力的共同作用，管道內壁發生屈服并產生塑性變形，徑向變形急劇增大，徑向變形變化曲線斜率增大，該壓力范圍內管道極易產生燒穿失穩，其對應的壓力即可認為是管道的最大可焊壓力。

2.2 焊接熱輸入對管道內壁徑向變形的影響

圖3 徑向變形隨管內壓力變化曲線

除了管道內的介質壓力外，修復過程中的焊接熱量輸入也是影響可焊壓力的重要因素，會對管道的最大徑向變形量產生直接影響。圖 4 所示為不同熱輸入情況下管道徑向變形隨可焊壓力的變化曲線。由圖 4 可見，在不同熱量輸入情況下，管道的最大徑向變形均會隨著可焊壓力增大而呈線性增加，當管道內的壓力增大到一定程度后徑向變形急劇增大，管道產生屈服，且焊接熱輸入越大，管道內壁的徑向變形量越大，管道內壁發生屈服所需的壓力越小。

圖4 徑向變形隨介質壓力變化曲線

這是由于焊接熱輸入對焊接過程中的熔池尺寸起決定性的作用。圖5 為不同熱輸入情況下在役焊接管道熔池尺寸的變化曲線。由圖5 可見，熔池尺寸隨焊接熱輸入增大而逐漸增大，并且在一定熱輸入范圍內，由于焊接熱輸入對焊縫的加熱作用遠大于周圍金屬的冷卻作用，導致熔池尺寸快速增大。將焊縫熔池等效為管道的體積型缺陷，根據管道熔池尺寸的變化規律分析可以看出，管道的焊接熱輸入越大，熔池尺寸越大，等效的體積缺陷越大，修復過程中用于承受應力與變形的剩余強度越小，在相同管內壓力條件下，管道內壁的徑向變形越大，管道發生燒穿失穩的可能性越大，由此可以進一步確定可由管道內壁最大徑向變形來確定其最大可焊壓力。

圖5 熔池尺寸隨焊接熱輸入的變化曲線

3 結論

（1） 管道內壁的徑向變形隨內壁溫度升高而逐漸增大，內壁溫度達到最高之后管道的徑向變形也達到最大。只要管道內壁未失去承載能力，焊接過程就是安全的，可以通過分析焊接時管道內壁的最大徑向變形來確定管道修復的可焊壓力。

（2）管道內壁的最大徑向變形隨管內壓力增大而逐漸增大，壓力增加到一定程度后，管道徑向變形急劇增大，發生屈服，此時所對應的壓力即可認為是在役焊接的最大可焊壓力。

（3）焊接熱輸入越大，熔池尺寸越大，承受應力和變形的剩余管道強度就越小，管道徑向變形越大，內壁發生屈服所需要的壓力越小，可焊壓力也越小。

（4）在役焊接修復過程中，為了保證管道不發生燒穿失穩，必須嚴格控制焊接熱輸入和管道內介質壓力，控制焊接過程中管道徑向變形，在保證焊縫質量的前提下，盡可能采用小的焊接熱輸入。