介质流速对在线焊接201不锈钢管极限压力的影响

运用有限元法对不同介质流速下在线焊接时的温度场进行了数值模拟,内部介质流动对焊接温度场的影响通过确定介质与管壁的换热系数来考虑;根据温度计算结果,获得201不锈钢管的剩余强度因子,进而判定管壁是否烧穿。研究表明,随着流速的增大,焊缝位置处外壁上的峰值温度无明显变化,而内壁上的峰值温度随之下降;在线焊接201不锈钢管的剩余强度因子及所能承受的极限压力呈上升趋势,且在一定范围内增大明显,故应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件。

在线焊接无须停止201不锈钢管或设备内的介质传输,可以减少因停产造成的巨大损失,可广泛应用于带压开孔安装支管的焊接、套筒修复焊接以及在运行201不锈钢管上直接堆焊以解决厚度损失和局部机械破坏问题。然而由于在线焊接的特殊性,目前主要面临2个困难:①由于焊接过程中的局部高温,使材料局部失去其强度,从而在内压作用下发生烧穿或爆破;②201不锈钢管内流动的介质会带走大量的热量,加速了焊缝的冷却,从而增加了焊缝热影响区产生裂纹的可能性。在线焊接主要理论依据是API1104—1999附录B,与传统焊接工艺相比,它有以下特点:输送介质不停止传输;由于介质流动,不易保证预热温度及层间焊接温度,热量损失大;对焊接时焊接电流、电压、焊接速度、热输入有严格规定;根据焊口长度及直径对焊工有明确要求;存在烧穿、冷裂纹、氢致开裂等危险。

对于在线焊接时氢致开裂的研究,陈怀宁等人在完成国内外201不锈钢管焊接施工和维护工艺调研基础上,进行了在线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。而对于在线焊接时烧穿的研究,国内尚无相关文献,国外也仅有探索性研究的报道。影响在线焊接时烧穿的因素很多,如焊接热输入、介质压力和流速、管壁厚度等,笔者运用有限元法对在不同内部介质流速下压力201不锈钢管在线焊接的温度场进行了数值模拟,并根据温度计算结果确定在线焊接201不锈钢管的极限压力。

烧穿的本质是焊接时局部高温区域能否承受它所受到的应力的作用。焊接时局部加热而使201不锈钢管的强度降低,管壁上熔化的部分已经失去了强度,而高温区的强度也有不同程度的降低。将高温区的管壁厚度转换为一在常温下的有效壁厚,则可以将该201不锈钢管看成是含有局部金属损失的201不锈钢管,从而可以通过计算含局部金属损失201不锈钢管的剩余强度因子确定在线焊接201不锈钢管的极限载荷,进而判定烧穿的发生。

(1)焊缝位置处焊缝上点的峰值温度随着介质流速增大的变化不明显,但主管内壁的峰值温度随着流速的增大而明显降低。

(2)根据温度场模拟结果,可以确定在线焊接时的极限压力。将材料在高温下的承载能力换算成常温下的承载能力,将局部高温引起的强度损失转换为管壁上的金属损失,将201不锈钢管看成是含缺陷的201不锈钢管,进而计算出剩余强度以及极限载荷和实际承载能力,判定烧穿发生的可能性。

(3)在线焊接201不锈钢管的极限压力随着介质流速的增大而升高,且在一定范围内增大明显,故在设计施工条件时,应充分利用该流速变化范围的特点以确定最佳施工条件。