304不锈钢管道在役焊接性的模拟仿真

摘要

在役焊接修复指待修复管道内部介质不需要停运,根据修复条件将介质降压或不降压,将辅助工件焊接到主体管线上。在役焊接修复方法存在两个问题:一是焊工安全,即烧穿引起的问题。二是焊缝质量的可靠性,在役焊接修复时管内流体不断地带走管壁上的热量,使得焊后焊接区快速冷却造成HAZ硬度较高,形成对氢致裂纹敏感的区域。
　　 本文利用实验研究和SYSWELD软件数值模拟相结合的方法,对304不锈钢管道在役焊接烧穿问题进行研究,对水介质、天然气介质、空气介质下的304管道在役焊接温度场、应力场、径向变形进行分析。设计了在役焊接动态实验装置和静态实验装置(平板腔室实验装置和圆管腔室实验装置)。实验表明,TIG焊接时,壁厚为3mm的304不锈钢板在稍加压力的情况下就会发生烧穿,故不建议使用3ram壁厚的管材在役焊接。对于6mm的304不锈钢板在3Mpa的情况下依然没有烧穿。
　　 压力变化对于圆管水介质条件下焊接时的热循环曲线并无影响,即内压对水介质管道的热量损失没有影响。壁厚对天然气介质下管道在役焊接热循环曲线影响显著。峰值温度随着壁厚的增加减小,烧穿的危险性相应降低。天然气介质散热能力随着压力的增大而增强,压力升高内壁峰值温度降低,烧穿危险性降低。
　　 模拟计算天然气介质下焊接应力场分布,通过对比常规焊接和在役焊接发现,二者的焊接残余应力分布规律几乎相同,在应力数值上有差异。管道内壁近缝区轴向残余应力和环向残余应力均为拉应力,轴向应力呈现内拉外压的层状分布;环向残余应力分布情况,在役焊接与常规焊接区别较大:近缝区区域为拉应力,由近缝区向两侧减小为零,再增加到最大压应力值,拉应力最大值出现在焊缝中心线下方的焊件内部,呈波纹状向外辐射逐渐减小。
　　 研究了天然气介质下304管道焊接径向变形情况。随着304管道壁厚的增加,内壁中心点的最大径向变形量减小;随着天然气压力的增大,熔池经过中间截面时管道内壁中心点的最大径向变形量先下降后上升,即当压力小于3MPa时,随着压力升高径向变形减小;3MPa-10MPa时随着压力升高径向变形增大。通过研究外壁参考截面考察点的在役焊接径向变形情况提出一种通过考察外壁距离焊缝中心线一参考点的径向变形情况进行烧穿预判,探讨通过力学实验手段来实时监测外壁径向变形的可行性。