压力管道在线焊接技术的研究.pdf

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1、南京工业大学博士学位论文压力管道在线焊接技术的研究姓名：薛小龙申请学位级别：博士专业：化工过程机械指导教师：桑芝富20060518 博士学位论文摘要不停输带压开孔技术是近年来迅速发展的一项管线抢修及改造技术，它是指在生产设备、工艺管线不停止传输的情况下，在线焊接一支管，并通过由专用钻床、连箱和刀具组成的开孔机与夹板阀、法兰堵塞配套，在运行管道上以机械低速切割方式密闭加工出不同尺寸的圆形孔洞。其产生的巨大经济效益和社会效益使得越来越多的行业热衷于采用该项技术。管道不停输带压开孔技术在国外应用已有三十多年的历史，而在我国的应用则相对较晚，尚未有对

2、其基础理论进行系统研究的报道。本文综述了不停输带压开孔技术的应用和研究现状，阐述了当前及今后一段时间内的发展前景，对不停输带压开孔技术的若干关键技术如在线焊接时的烧穿问题、在线焊接后管道在内压作用下的强度性能进行了研究，主要研究内容及结论如下：设计了焊接温度场测定试验系统并成功地采用热电偶对T型接头焊条电弧焊、TIG焊以及在线焊接时的温度场进行了测定，滤波装置有效地过滤了焊接时的高频信号，获得了焊接时的温度场用于验证数值模拟结果的准确性。运用有限元法对平板和正交接管T型接头焊条电弧焊和TIG焊的温度场进行数值模拟，试验结果验证了该方法的准确性

3、和可靠性，可以继而模拟出焊接残余应力场。焊接时采用间断焊可以有效降低焊接时焊缝区的温度，减少了管道或设备由于局部高温而引起强度降低的程度，从而降低了烧穿发生的可能性。但其热循环曲线呈锯齿状，对残余应力产生了一定的影响。建立并验证了压力管道在线焊接的数值模拟方法，对在线焊接和无内部介质流动时的焊接进行了分析比较，结果表明：在线焊接时由于内部介质的流动带走了大量焊接时产生的热量，加速了管壁的冷却，介质对内壁温度的影响较外壁大得多，介质的压力改变了焊接残余应力分布。根据在线焊接数值模拟的结果，结合现有的标准提出了判定在线焊接烧穿的方法。将材料在高温

4、下的承载能力换算成在常温下的承载能力，将局部高温引起的强度损失转换为管壁上的金属损失，将在线焊接时的管道看成是含局部金属损失的管道，进而根据相关标准确定出管道的剩余强度因子以及极限载荷和设计载荷，判定烧穿发生的可能性。由于本判定方法需要借助于第三方软件I 摘要ABAQUS进行焊接温度场的计算，本文编制了应用程序用于生成计算所必需的输入文件的关键部分和判定烧穿发生的可能性，为后续研究建立了一个较高的平台，填补了国内该领域的空白。该系统还可以根据计算结果文件获得管道的设计压力，并能判定特定工况下进行在线焊接的安全性，后续工作可以添加进其它材料和内

5、部介质的数据，不断完善本系统。对影响在线焊接烧穿的因素进行了研究。在288～1760J/mm范围内，在线焊接时管道的设计压力随着线能量的增大而下降；设计压力随着介质流速的增大呈上升趋势，操作时应结合其他各方面的因素确定一最佳流速；RSF随着壁厚的增大而升高，当壁厚增大到8mm以上时，RSF增大速度减缓，即材料的有效利用率降低，在确保安全操作的条件下，应尽量减小带压开孔操作对正常生产的影响；对于100℃以内的水，设计压力随着介质温度的升高而下降。根据设计压力与各参数的关系曲线可以获得各临界参数，通过正交试验设计可知热输入与壁厚是在线焊接烧穿的主

6、要影响因素。当介质流速为零时是特定管道进行在线焊接的最危险情形，对管道此时的情形进行计算可以获得一系列在线焊接的最低设计压力，本文通过数值模拟给出了无流速情况下的设计压力。当操作压力小于这些数值时，在线焊接不会发生烧穿；当操作压力大于这些数值时，则应运用本文建立的方法进行分析，确保操作的安全进行。本文给出了五种壁厚的304管道在介质为水，温度为10℃，流速为1.0m/s情况下的设计压力。与传统的插入式接管结构不同，在线焊接管道结构中支管与主管的焊缝是座式角焊缝型式。运用试验和有限元方法对在线焊接后管道在内压作用下的强度性能进行了研究，在线焊接

7、后接管孔边的应力集中具有明显的局部性，应力随着离开孔边距离的增大迅速衰减到正常部位的应力水平。补强圈提高了在线焊接后管道的极限承载能力，具有明显的补强效果，建议在带压开孔设计及施工中采用补强结构。分析了焊接残余应力对在线焊接后管道强度性能的影响，在研究极限载荷时，可以建立不考虑残余应力的模型进行研究。本文建立的有限元方法用以研究在线焊接后管道在内压作用下的强度性能是可行的，可以应用该方法对在线焊接后管道在其他载荷如弯矩以及内压和弯矩组合作用下的强度性能进行分析。关键词：带压开孔在线焊接烧穿设计压力数值模拟极限载荷II 博士学位论文ABSTRA

8、CTHottappingisanewtechnologyforpipelinemaintenancedevelopedduringrecentdecades.Iti