壓力管道在線焊接技術(shù)的研究.pdf

1、不停輸帶壓開孔技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)管線搶修及改造技術(shù)，它是指在生產(chǎn)設(shè)備、工藝管線不停止傳輸?shù)那闆r下，在線焊接一支管，并通過由專用鉆床、連箱和刀具組成的開孔機(jī)與夾板閥、法蘭堵塞配套，在運(yùn)行管道上以機(jī)械低速切割方式密閉加工出不同尺寸的圓形孔洞。其產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益使得越來越多的行業(yè)熱衷于采用該項(xiàng)技術(shù)。 管道不停輸帶壓開孔技術(shù)在國外應(yīng)用已有三十多年的歷史，而在我國的應(yīng)用則相對(duì)較晚，尚未有對(duì)其基礎(chǔ)理論進(jìn)行系統(tǒng)研究的報(bào)道。

2、本文綜述了不停輸帶壓開孔技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，闡述了當(dāng)前及今后一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展前景，對(duì)不停輸帶壓開孔技術(shù)的若干關(guān)鍵技術(shù)如在線焊接時(shí)的燒穿問題、在線焊接后管道在內(nèi)壓作用下的強(qiáng)度性能進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： 設(shè)計(jì)了焊接溫度場測定試驗(yàn)系統(tǒng)并成功地采用熱電偶對(duì)T型接頭焊條電弧焊、TIG焊以及在線焊接時(shí)的溫度場進(jìn)行了測定，濾波裝置有效地過濾了焊接時(shí)的高頻信號(hào)，獲得了焊接時(shí)的溫度場用于驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。 運(yùn)用有限

3、元法對(duì)平板和正交接管T型接頭焊條電弧焊和TIG焊的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性，可以繼而模擬出焊接殘余應(yīng)力場。焊接時(shí)采用間斷焊可以有效降低焊接時(shí)焊縫區(qū)的溫度，減少了管道或設(shè)備由于局部高溫而引起強(qiáng)度降低的程度，從而降低了燒穿發(fā)生的可能性。但其熱循環(huán)曲線呈鋸齒狀，對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生了一定的影響。 建立并驗(yàn)證了壓力管道在線焊接的數(shù)值模擬方法，對(duì)在線焊接和無內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)時(shí)的焊接進(jìn)行了分析比較，結(jié)果表明：在線焊接時(shí)

4、由于內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)帶走了大量焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量，加速了管壁的冷卻，介質(zhì)對(duì)內(nèi)壁溫度的影響較外壁大得多，介質(zhì)的壓力改變了焊接殘余應(yīng)力分布。 根據(jù)在線焊接數(shù)值模擬的結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)提出了判定在線焊接燒穿的方法。將材料在高溫下的承載能力換算成在常溫下的承載能力，將局部高溫引起的強(qiáng)度損失轉(zhuǎn)換為管壁上的金屬損失，將在線焊接時(shí)的管道看成是含局部金屬損失的管道，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定出管道的剩余強(qiáng)度因子以及極限載荷和設(shè)計(jì)載荷，判定燒穿發(fā)生的可能

5、性。由于本判定方法需要借助于第三方軟件ABAQUS進(jìn)行焊接溫度場的計(jì)算，本文編制了應(yīng)用程序用于生成計(jì)算所必需的輸入文件的關(guān)鍵部分和判定燒穿發(fā)生的可能性，為后續(xù)研究建立了一個(gè)較高的平臺(tái)，填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白。該系統(tǒng)還可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果文件獲得管道的設(shè)計(jì)壓力，并能判定特定工況下進(jìn)行在線焊接的安全性，后續(xù)工作可以添加進(jìn)其它材料和內(nèi)部介質(zhì)的數(shù)據(jù)，不斷完善本系統(tǒng)。 對(duì)影響在線焊接燒穿的因素進(jìn)行了研究。在288～1760J/mm范圍內(nèi)，在線

6、焊接時(shí)管道的設(shè)計(jì)壓力隨著線能量的增大而下降；設(shè)計(jì)壓力隨著介質(zhì)流速的增大呈上升趨勢，操作時(shí)應(yīng)結(jié)合其他各方面的因素確定一最佳流速；RSF隨著壁厚的增大而升高，當(dāng)壁厚增大到8mm以上時(shí)，RSF增大速度減緩，即材料的有效利用率降低，在確保安全操作的條件下，應(yīng)盡量減小帶壓開孔操作對(duì)正常生產(chǎn)的影響；對(duì)于100℃以內(nèi)的水，設(shè)計(jì)壓力隨著介質(zhì)溫度的升高而下降。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力與各參數(shù)的關(guān)系曲線可以獲得各臨界參數(shù)，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知熱輸入與壁厚是在線焊接燒穿

7、的主要影響因素。 當(dāng)介質(zhì)流速為零時(shí)是特定管道進(jìn)行在線焊接的最危險(xiǎn)情形，對(duì)管道此時(shí)的情形進(jìn)行計(jì)算可以獲得一系列在線焊接的最低設(shè)計(jì)壓力，本文通過數(shù)值模擬給出了無流速情況下的設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)操作壓力小于這些數(shù)值時(shí)，在線焊接不會(huì)發(fā)生燒穿；當(dāng)操作壓力大于這些數(shù)值時(shí)，則應(yīng)運(yùn)用本文建立的方法進(jìn)行分析，確保操作的安全進(jìn)行。本文給出了五種壁厚的304管道在介質(zhì)為水，溫度為10℃，流速為1.0m/s情況下的設(shè)計(jì)壓力。 與傳統(tǒng)的插入式接管結(jié)構(gòu)不同

8、，在線焊接管道結(jié)構(gòu)中支管與主管的焊縫是座式角焊縫型式。運(yùn)用試驗(yàn)和有限元方法對(duì)在線焊接后管道在內(nèi)壓作用下的強(qiáng)度性能進(jìn)行了研究，在線焊接后接管孔邊的應(yīng)力集中具有明顯的局部性，應(yīng)力隨著離開孔邊距離的增大迅速衰減到正常部位的應(yīng)力水平。補(bǔ)強(qiáng)圈提高了在線焊接后管道的極限承載能力，具有明顯的補(bǔ)強(qiáng)效果，建議在帶壓開孔設(shè)計(jì)及施工中采用補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。分析了焊接殘余應(yīng)力對(duì)在線焊接后管道強(qiáng)度性能的影響，在研究極限載荷時(shí)，可以建立不考慮殘余應(yīng)力的模型進(jìn)行研究。本文建