張 萍，韓 濤

(1.北京石油化工學(xué)院工程師學(xué)院， 北京 102627; 2.中國(guó)石油天然氣管道局，河北 廊坊 065000)

天然氣管道在使用過(guò)程中，由于天然氣對(duì)管壁的沖刷、腐蝕以及管壁的局部損傷等缺陷需進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)過(guò)程中為了不影響居民使用，可采用帶壓套管焊接修復(fù)技術(shù)[1]，然而環(huán)向角焊縫在焊接過(guò)程中會(huì)引起很高的管壁溫度，在高壓條件下存在焊接燒穿的風(fēng)險(xiǎn)。倘若發(fā)生燒穿，則可導(dǎo)致管內(nèi)天然氣燃燒爆炸，引發(fā)重大安全事故[2-3]。此外，帶壓焊接時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)的天然氣帶走了大量的焊接熱量，致使焊接接頭處的溫度急劇下降，其高溫停留時(shí)間TH(高于 800 ℃的時(shí)間)和冷卻時(shí)間T8/5(焊縫從800 ℃到500 ℃的冷卻時(shí)間)都遠(yuǎn)少于傳統(tǒng)焊接，而當(dāng)冷卻速度過(guò)快時(shí)易形成氫致裂紋[4-6]。因此對(duì)于管道帶壓焊，既要避免因高溫冷卻速度過(guò)慢引起的燒穿，又要防止冷卻速度過(guò)快引起的氫致裂紋。

美國(guó)BMI和EWI研究所的研究表明，為了防止燒穿，帶壓焊需采用低氫焊條進(jìn)行焊接，同時(shí)管道內(nèi)壁的溫度不得超過(guò) 982 ℃[7-8]，其中內(nèi)壁溫度是判斷是否燒穿的判據(jù)，因此需要關(guān)注熔池下方內(nèi)壁的溫度變化。此外，焊接熱影響區(qū)受熱極度不均，其晶粒大小及最終的組織與T8/5、高溫停留時(shí)TH和峰值溫度等熱循環(huán)參數(shù)密切相關(guān)[9]。帶壓焊時(shí)，熱影響區(qū)的溫度可高達(dá)1 350～1 400 ℃，奧氏體晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大，在天然氣的快速冷卻下，粗大的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袣渲铝鸭y傾向的高碳馬氏體、上貝氏體等。這些組織在焊接應(yīng)力和氫的作用下易形成氫致開(kāi)裂[10]。許波等[9]以平板為研究對(duì)象，研究了壁厚對(duì)熱循環(huán)曲線的影響，結(jié)果表明焊件厚度對(duì)焊接熱循環(huán)曲線影響顯著，但其模型中沒(méi)有考慮管道內(nèi)壓及管道介質(zhì)流動(dòng)對(duì)溫度的影響。

筆者建立了X80帶壓管道焊接的三維有限元分析模型，分析了焊接管道壁厚、管徑、介質(zhì)內(nèi)壓等參數(shù)對(duì)粗晶區(qū)及焊縫正下方內(nèi)壁的熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律，為進(jìn)一步制定合理的在役焊接修復(fù)工藝、避免燒穿及氫致裂紋提供參考。

1 有限元模型

1.1 帶壓焊接接頭的換熱機(jī)理及換熱系數(shù)

焊接接頭的換熱主要包括三部分：管壁的熱傳導(dǎo)及輻射換熱、焊接接頭及外表面與空氣的自然對(duì)流換熱和管道內(nèi)壁與管內(nèi)介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流換熱。

自然對(duì)流的換熱系數(shù)的變化范圍通常為5～25 W/(m2·K)，考慮到帶壓焊是在室外，空氣流動(dòng)較大，自然對(duì)流的換熱系數(shù)αc1取25 W/(m2·K)。

管道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算式為：

(1)

式中：αc2為強(qiáng)制換熱系數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為管道的內(nèi)徑；Re為雷諾數(shù)；Pr為特朗普數(shù)；μ為流體中心動(dòng)力黏度；μw為運(yùn)行介質(zhì)在壁溫時(shí)的動(dòng)力黏度。

輻射換熱系數(shù)的計(jì)算式為：

α=0.8×5.67×10-8×[(273.15+T0)+(273.15+T)]×[(273.15+T0)2+(273.15+T)2]

(2)

式中：T0為環(huán)境溫度；α為金屬輻射換熱系數(shù)。

1.2 焊接熱源模型

數(shù)值仿真時(shí)需要定義焊接熱源的形式，由于熔化焊時(shí)焊接熱量局部集中、動(dòng)態(tài)瞬時(shí)性和快速移動(dòng)性，很容易在時(shí)間域和空間域內(nèi)形成梯度大的不均勻溫度場(chǎng)，模擬中采用雙橢球體熱源分布模式，如圖1所示。

圖1 雙橢球熱源模型

1.3 材料的性能參數(shù)

X80管道鋼與溫度相關(guān)的熱物理性能及力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，與壓力相關(guān)的天然氣熱物理性能參數(shù)如表2所示。

表1 X80不同溫度下的性能參數(shù)

表2 天然氣熱物理性能參數(shù)

1.4 有限元模型

帶壓焊時(shí)，一般情況下燒穿發(fā)生在第1道焊縫[11-12]，且第1道焊縫是表面堆焊，建立的有限元網(wǎng)格如圖2(a)所示。由圖2(a)中可以看出，焊縫區(qū)的網(wǎng)格較密，其余母材部分相對(duì)稀疏，這樣在保證計(jì)算精度的同時(shí)降低計(jì)算量。

為了研究帶壓焊接管道壁厚、管徑及介質(zhì)內(nèi)壓等參數(shù)對(duì)內(nèi)壁及熔合線附近區(qū)域的熱循環(huán)曲線的影響，在焊縫中間對(duì)稱面上選取3個(gè)節(jié)點(diǎn)：熔池正下方的內(nèi)壁點(diǎn)A、熔池正下方熔合線附近B點(diǎn)、管壁表面與熔合線交界處C點(diǎn)，如圖2(b)所示。

圖2 有限元網(wǎng)格及節(jié)點(diǎn)ABC位置示意圖

熱輸入為12 kJ/cm，管內(nèi)天然氣流速為15 m/s，根據(jù)壁厚、管徑及內(nèi)壓的不同，分3組討論粗晶區(qū)及焊縫內(nèi)壁的熱循環(huán)曲線，每組的具體參數(shù)如表3所示。

表3 不同因素下管徑壁厚及內(nèi)壓表

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壁厚對(duì)熱循環(huán)曲線的影響

在內(nèi)壓為5 MPa、流速為15 m/s、管徑為610 mm的條件下，研究4種壁厚(7、8、9、10 mm)下A、B、C點(diǎn)的熱循環(huán)曲線,如圖3所示，B、C點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)如表4所示。

圖3 不同壁厚下ABC三點(diǎn)熱循環(huán)曲線

表4 不同壁厚下熔合線附近點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)

從圖3(a)中可以看出，當(dāng)壁厚為7、8、9 mm和10 mm時(shí)，峰值溫度分別為651、552、484 ℃和428 ℃。由于焊縫熔池的熱量主要是以熱傳導(dǎo)的方式傳遞給周圍的母材[9]，因此，壁厚越厚，熱量越容易傳導(dǎo)出去，焊縫的冷卻速度越快，內(nèi)壁熱循環(huán)曲線峰值溫度越低，越不容易發(fā)生燒穿。

從圖3(b)、圖3(c)及表4中可以得知，各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線在前期加熱階段基本重合，但在冷卻階段，冷卻時(shí)間T8/5及高溫停留時(shí)間TH隨焊件厚度的增加逐漸減少，冷卻速度增加。因考慮了管內(nèi)天然氣的內(nèi)壓和流速的影響，天然氣帶走了更多的熱量，因此與文獻(xiàn)[9]相比，冷卻速度更快。當(dāng)冷卻速度過(guò)高時(shí)，因?yàn)閄80管線鋼的碳當(dāng)量比較高，在粗晶區(qū)域(熱影響區(qū))會(huì)形成少量板條馬氏體，從而造成該區(qū)域的韌性降低[13]，易產(chǎn)生裂紋。

2.2 管徑對(duì)熱循環(huán)曲線的影響

在內(nèi)壓為5 MPa、流速為15 m/s、壁厚為7 mm的條件下， 不同管徑下各點(diǎn)熱循環(huán)曲線如圖4所示，B、C點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)如表5所示。由圖4(a)可知，在相同的內(nèi)壓、流速和壁厚下，管徑分別為610、711、813 mm及914 mm時(shí)，峰值溫度分別為647、655、656 ℃及652 ℃，管徑對(duì)于內(nèi)壁的峰值溫度影響較小。但由于管徑增加，焊接到對(duì)稱截面所需時(shí)間也增加，因此不同管徑的管道達(dá)到峰值溫度的時(shí)間不同。

圖4 不同管徑下ABC三點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

表5 不同管徑下熔合線附近點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)

由圖4(b)、圖4(c)及表5可知，B、C兩點(diǎn)的熱循環(huán)曲線的變化趨勢(shì)基本保持一致，管徑對(duì)熔合線附近的B點(diǎn)、C點(diǎn)的峰值溫度的影響較小，對(duì)T8/5及高溫冷卻時(shí)間TH的影響也很小，在0.4 s范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.3 內(nèi)壓對(duì)熱循環(huán)曲線的影響

在壁厚為7 mm、流速為15 m/s、管徑為610 mm的條件下， 不同內(nèi)壓下各點(diǎn)熱循環(huán)曲線如圖5所示，B、C點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)如表6所示。由圖5(a)中可以看出，當(dāng)內(nèi)壓為0即管內(nèi)沒(méi)有氣體時(shí)，A點(diǎn)最高溫度為790 ℃；當(dāng)內(nèi)壓分別為1、3、5 MPa時(shí)，A點(diǎn)最高溫度分別為744、682 ℃及647 ℃，內(nèi)壓越高，管道內(nèi)壁溫度越低，冷卻速率越快。這是因?yàn)楸葻?、?dǎo)熱系數(shù)、黏度等天然氣的熱物理性能參數(shù)隨著壓力的增加而增加，由式(1)可知，內(nèi)壁的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)也隨之增加，因此更高的天然氣內(nèi)壓帶走更多的熱量。

圖5 不同內(nèi)壓下ABC三點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

由圖5(b)、圖5(c)可知，內(nèi)壓對(duì)熔合線附近點(diǎn)B和C的熱循環(huán)曲線的峰值溫度幾乎沒(méi)有影響，但對(duì)于冷卻速率影響大。由表6可知，管內(nèi)沒(méi)有氣體時(shí)，B點(diǎn)、C點(diǎn)的T8/5冷卻時(shí)間分別為10.13 s及10.19 s；而內(nèi)壓為5 MPa時(shí)，B點(diǎn)、C點(diǎn)的T8/5冷卻時(shí)間分別為4.71 s和4.92 s，與前者相比，冷卻時(shí)間不到一半。高溫停留時(shí)間TH也隨著內(nèi)壓的增大而不斷的減少。因此，對(duì)于帶壓焊，隨著內(nèi)壓的增加，管道內(nèi)壁熱循環(huán)減小，需控制焊接工藝參數(shù)，避免冷卻過(guò)快而產(chǎn)生氫致裂紋。

表6 不同內(nèi)壓下熔合線附近點(diǎn)的熱循環(huán)參數(shù)

3 結(jié)論

對(duì)X80管道帶壓焊進(jìn)行仿真，研究了焊接管內(nèi)介質(zhì)的內(nèi)壓、流速、壁厚等對(duì)管壁熱循環(huán)曲線的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)管壁越厚，T8/5和TH的持續(xù)時(shí)間越短，因此對(duì)較大壁厚管道的焊接，需減少熱影響區(qū)的馬氏體上貝氏體組織；

(2)同等條件下，隨著管徑的增加，冷卻時(shí)間略微增加，對(duì)熱循環(huán)曲線的影響很??；

(3)管內(nèi)介質(zhì)壓力越大，帶走的熱量越多，燒穿的可能性越小，但產(chǎn)生氫致裂紋的可能性越高，因此需控制焊接工藝參數(shù)防止燒穿。