基于SYSWELD的运行管道在役焊接热循环数值模拟

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1、第!2卷第%期焊接学报CDEF!2=DF%!""*年%月7<:=+:>7;?=+?@7A.>A;=:-./0;=8;=+7;7B7;?=GHIJHKL!""*基于!"!#$%&的运行管道在役焊接热循环数值模拟陈玉华%，!，王勇!（%’南昌航空工业学院材料科学与工程学院，江西南昌((""#(；!’中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营!)*"#%）摘要：采用焊接过程数值模拟软件+,+-./0建立模型，以水为运行介质，对1*"管道在役焊接粗晶区的热循环进行了数值模拟，探讨了介质流速、管道壁厚和焊接热输入等

2、因素对在役焊接热循环的影响规律，并对数值模拟结果进行了验证。结果表明，在役焊接粗晶区!23)值随着水流速度的增大而减小，但减小的幅度不大；当流速小于"’)435时，!23(和!23%随流速的增大而大幅减小，当流速大于"’)435时，!23(和!23%随流速增大而缓慢减小。!23)和!23(均随着管道壁厚的增加而先增大后减小，在壁厚为244时达到最大值；!23%随着壁厚的增加而逐渐增大。随着焊接热输入的增加，!23)，!23(和!23%均增大。焊接热循环计算结果和实测结果吻合较好，相对误差小于26。关键词：

3、运行管线；在役焊接修复；焊接热循环；数值模拟中图分类号：789"!，789)*’#文献标识码：:文章编号："!)($(#"1（!""*）"%$"2)$"9陈玉华钢在役焊接粗晶区热循环的影响规律，并在自行建"序言立的试验管线上对数值模拟结果进行了验证。油气管线在服役过程中，由于腐蚀、磨损以及意%在役焊接数值模型的建立外损伤等原因，不可避免会造成管线的局部减薄、损［%］坏。对失效管线进行不停输在役焊接修复可保持’(’几何模型管道运行的连续性、避免油气停输所造成的损失、对采用套管修复工艺，其示意图及焊接接头形式

4、环境没有污染，具有巨大的经济效益、社会效益和广如图%，主要考察第%道焊时粗晶区的热循环。［!］阔的应用前景，是一种高效、经济的修复方法。目［($#］前，国内外对在役焊接修复进行了较多的研究，将在役焊接修复视为管道完整性的重要方面。在役焊接修复时，被焊管道内部流动的高压油、气等介质不断带走焊接区的热量，使得焊接接头经受的焊接热循环不同于常规焊接，粗晶区往往成为氢致裂纹的发源地。研究在役焊接粗晶区的热循环对于改善热影响区的组织和性能、避免氢致裂纹的产生具有重要意义。由于水的冷却能力大于实际输送的油气介质，以水

5、作为试验介质获得的结果偏于安全，而且操作方便、安全，国际上大多采用水为介［*］质进行在役焊接的研究。因而，作者以水为运行介质建立管道在役焊接的数学模型，采用法国.+;公司开发的焊接专用数值模拟软件+,+-./0对液体管线在役焊接的温度场进行了数值模拟，重点探讨了液体流速、管道壁厚和焊接热输入对1*"管线图’套管修复及焊接接头示意图收稿日期：!""#$"%$"&)*+,’!-./012345678..9.:.43*:3;<=.8<.<>5*;/+?焊接学报第(+卷所有建模和计算均采用焊接过程数值模拟软件式中

6、："，’(，*+，分别为水的导热系数、雷诺数、普#!"!#$%&进行。由于第’道焊是在管道表面堆焊朗特数、动力粘度；&为管道的内径；#C为水在壁温环形焊缝，管道是轴对称结构，可采用二维横截面模时的动力粘度。对文献［8］提供的不同温度下水的型进行模拟，其整体网格模型如图()，在焊缝区网动力粘度值进行拟合，得到动力粘度的表达式为格划分细密一些，如图(*。1%’1%’#（-%’）=6;(>D’+;’A’;;@>D(@，（;）式中：%’为管道内壁的温度。模型两端的力学约束为刚性约束。-.7材料的热物理性能E@:管

7、线钢的导热系数"和比热容.F采用文献［’:］的公式计算。(计算结果分析与讨论众所周知，/+,5和/+,;是焊接热循环的重要参数。同时，+::G’::B的冷却时间/+,’也是影响氢图!有限元网格模型致裂纹敏感性的重要因素。因此，主要考察在役焊"#$%!"#&&#’(()(*(&’*(+,接粗晶区（图(*中节点@’:，经计算，管道内无流动介质时的峰值温度为’6’8B）的/+,5，/+,;和/+,’等-.!热源模型及焊接工艺参数焊接热循环参数。［+］由于双椭球模型更为准确，焊接热源采用双!.-流速对在役焊接热循

8、环的影响椭球模型。采用焊条电弧焊方法，根据不同电流下对于管内强迫对流换热，流体的流速对换热系焊接熔池的深度和宽度初步确定双椭球热源模型的数有很大影响，必然会引起焊接热循环的变化。选各参数，然后采用!"!#$%&的热源拟合工具进行择表’中9组焊接工艺参数，计算相同管道结构（外多次校核，直至模拟出的熔池形状和实际接头相符。径5:+//，壁厚+//）条件下水流速度从:7’/,0选用的四种热输入及其相关参数如表’。到(/,0变化时粗晶