壓力管道在線焊接技術的研究.pdf

1、不停輸帶壓開孔技術是近年來迅速發(fā)展的一項管線搶修及改造技術，它是指在生產設備、工藝管線不停止傳輸的情況下，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與夾板閥、法蘭堵塞配套，在運行管道上以機械低速切割方式密閉加工出不同尺寸的圓形孔洞。其產生的巨大經濟效益和社會效益使得越來越多的行業(yè)熱衷于采用該項技術。 管道不停輸帶壓開孔技術在國外應用已有三十多年的歷史，而在我國的應用則相對較晚，尚未有對其基礎理論進行系統(tǒng)研究的報道。

2、本文綜述了不停輸帶壓開孔技術的應用和研究現狀，闡述了當前及今后一段時間內的發(fā)展前景，對不停輸帶壓開孔技術的若干關鍵技術如在線焊接時的燒穿問題、在線焊接后管道在內壓作用下的強度性能進行了研究，主要研究內容及結論如下： 設計了焊接溫度場測定試驗系統(tǒng)并成功地采用熱電偶對T型接頭焊條電弧焊、TIG焊以及在線焊接時的溫度場進行了測定，濾波裝置有效地過濾了焊接時的高頻信號，獲得了焊接時的溫度場用于驗證數值模擬結果的準確性。 運用有限

3、元法對平板和正交接管T型接頭焊條電弧焊和TIG焊的溫度場進行數值模擬，試驗結果驗證了該方法的準確性和可靠性，可以繼而模擬出焊接殘余應力場。焊接時采用間斷焊可以有效降低焊接時焊縫區(qū)的溫度，減少了管道或設備由于局部高溫而引起強度降低的程度，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，對殘余應力產生了一定的影響。 建立并驗證了壓力管道在線焊接的數值模擬方法，對在線焊接和無內部介質流動時的焊接進行了分析比較，結果表明：在線焊接時

4、由于內部介質的流動帶走了大量焊接時產生的熱量，加速了管壁的冷卻，介質對內壁溫度的影響較外壁大得多，介質的壓力改變了焊接殘余應力分布。 根據在線焊接數值模擬的結果，結合現有的標準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度損失轉換為管壁上的金屬損失，將在線焊接時的管道看成是含局部金屬損失的管道，進而根據相關標準確定出管道的剩余強度因子以及極限載荷和設計載荷，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進行焊接溫度場的計算，本文編制了應用程序用于生成計算所必需的輸入文件的關鍵部分和判定燒穿發(fā)生的可能性，為后續(xù)研究建立了一個較高的平臺，填補了國內該領域的空白。該系統(tǒng)還可以根據計算結果文件獲得管道的設計壓力，并能判定特定工況下進行在線焊接的安全性，后續(xù)工作可以添加進其它材料和內部介質的數據，不斷完善本系統(tǒng)。 對影響在線焊接燒穿的因素進行了研究。在288～1760J/mm范圍內，在線

6、焊接時管道的設計壓力隨著線能量的增大而下降；設計壓力隨著介質流速的增大呈上升趨勢，操作時應結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，當壁厚增大到8mm以上時，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，應盡量減小帶壓開孔操作對正常生產的影響；對于100℃以內的水，設計壓力隨著介質溫度的升高而下降。根據設計壓力與各參數的關系曲線可以獲得各臨界參數，通過正交試驗設計可知熱輸入與壁厚是在線焊接燒穿

7、的主要影響因素。 當介質流速為零時是特定管道進行在線焊接的最危險情形，對管道此時的情形進行計算可以獲得一系列在線焊接的最低設計壓力，本文通過數值模擬給出了無流速情況下的設計壓力。當操作壓力小于這些數值時，在線焊接不會發(fā)生燒穿；當操作壓力大于這些數值時，則應運用本文建立的方法進行分析，確保操作的安全進行。本文給出了五種壁厚的304管道在介質為水，溫度為10℃，流速為1.0m/s情況下的設計壓力。 與傳統(tǒng)的插入式接管結構不同

8、，在線焊接管道結構中支管與主管的焊縫是座式角焊縫型式。運用試驗和有限元方法對在線焊接后管道在內壓作用下的強度性能進行了研究，在線焊接后接管孔邊的應力集中具有明顯的局部性，應力隨著離開孔邊距離的增大迅速衰減到正常部位的應力水平。補強圈提高了在線焊接后管道的極限承載能力，具有明顯的補強效果，建議在帶壓開孔設計及施工中采用補強結構。分析了焊接殘余應力對在線焊接后管道強度性能的影響，在研究極限載荷時，可以建立不考慮殘余應力的模型進行研究。本文建