介質流速對在線焊接201不鏽鋼管極限壓力的影響

運用有限元法對不同介質流速下在線焊接時的溫度場進行了數值模擬,內部介質流動對焊接溫度場的影響通過確定介質與管壁的換熱系數來考慮;根據溫度計算結果,獲得201不鏽鋼管的剩余強度因子,進而判定管壁是否燒穿。研究表明,隨著流速的增大,焊縫位置處外壁上的峰值溫度無明顯變化,而內壁上的峰值溫度隨之下降;在線焊接201不鏽鋼管的剩余強度因子及所能承受的极限压力呈上升趋势,且在一定範圍內增大明顯,故應充分利用該流速變化範圍的特點以確定最佳施工條件。

在線焊接无须停止201不鏽鋼管或設備內的介質傳輸,可以減少因停産造成的巨大損失,可廣泛應用于帶壓開孔安裝支管的焊接、套筒修複焊接以及在運行201不鏽鋼管上直接堆焊以解决厚度损失和局部机械破坏问题。然而由于在線焊接的特殊性,目前主要面臨2個困難:①由于焊接過程中的局部高溫,使材料局部失去其強度,從而在內壓作用下發生燒穿或爆破;②201不鏽鋼管內流動的介質會帶走大量的熱量,加速了焊縫的冷卻,从而增加了焊缝热影响区产生裂纹的可能性。在線焊接主要理论依据是API1104—1999附錄B,與傳統焊接工藝相比,它有以下特點:輸送介質不停止傳輸;由于介質流動,不易保證預熱溫度及層間焊接溫度,熱量損失大;對焊接時焊接電流、電壓、焊接速度、熱輸入有嚴格規定;根據焊口長度及直徑對焊工有明確要求;存在燒穿、冷裂紋、氫致開裂等危險。

对于在線焊接时氢致开裂的研究,陳懷甯等人在完成國內外201不鏽鋼管焊接施工和維護工藝調研基礎上,进行了在線焊接时氢致开裂特征和防止路线的研究,取得了一些有价值的数据和结论。而对于在線焊接时烧穿的研究,國內尚無相關文獻,国外也仅有探索性研究的报道。影响在線焊接时烧穿的因素很多,如焊接熱輸入、介質壓力和流速、管壁厚度等,筆者運用有限元法對在不同內部介質流速下壓力201不鏽鋼管在線焊接的温度场进行了数值模拟,并根據溫度計算結果确定在線焊接201不鏽鋼管的極限壓力。

燒穿的本質是焊接時局部高溫區域能否承受它所受到的應力的作用。焊接時局部加熱而使201不鏽鋼管的強度降低,管壁上熔化的部分已經失去了強度,而高溫區的強度也有不同程度的降低。將高溫區的管壁厚度轉換爲一在常溫下的有效壁厚,則可以將該201不鏽鋼管看成是含有局部金屬損失的201不鏽鋼管,從而可以通過計算含局部金屬損失201不鏽鋼管的剩余強度因子确定在線焊接201不鏽鋼管的極限載荷,進而判定燒穿的發生。

(1)焊縫位置處焊縫上點的峰值溫度隨著介質流速增大的變化不明顯,但主管内壁的峰值温度隨著流速的增大而明显降低。

(2)根據溫度場模擬結果,可以确定在線焊接时的極限壓力。將材料在高温下的承载能力换算成常温下的承载能力,將局部高溫引起的強度損失轉換爲管壁上的金屬損失,將201不鏽鋼管看成是含缺陷的201不鏽鋼管,進而計算出剩余強度以及極限載荷和實際承載能力,判定燒穿發生的可能性。

(3)在線焊接201不鏽鋼管的極限壓力隨著介質流速的增大而升高,且在一定範圍內增大明顯,故在設計施工條件時,應充分利用該流速變化範圍的特點以確定最佳施工條件。