水下焊槍微型排水罩仿真計算與優(yōu)化設(shè)計

周 凱，李連波，許 威，彭 宇，武 明，陳金儀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070） ①

水下焊接［1－3］主要用于修復(fù)水下結(jié)構(gòu)物、管道等。目前水下焊接可分為濕法焊接、局部干法焊接及干法焊接。由于局部干法焊接方法高效、設(shè)備及操作簡易，是目前水下焊接研究的重點方向之一。陸上用半自動焊槍無法直接在水下使用，需要對焊槍進行改造，方法是外部加微型排水罩。水下焊槍的微型排水罩主要作用是通過向排水罩內(nèi)輸送CO2保護氣，確保焊件表面形成一定的干燥區(qū)域，從而保證焊接在CO2保護氣形成的干燥環(huán)境中進行。潛水員可從排水罩頂部觀察焊接過程，進行操作。由于焊材采用的是藥芯焊絲，會產(chǎn)生焊接煙塵，如果排水罩前端的焊接煙塵回流至排水罩腔內(nèi)，將會影響潛水員視線，從而影響焊接質(zhì)量。因此，微型排水罩必須保證吹入的CO2保護氣不會造成焊接煙塵的回流。本文重點對水下焊槍的微型排水罩進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用流體力學仿真軟件對容器內(nèi)流場進行模擬分析，根據(jù)計算結(jié)果進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更好地滿足工程要求。

1 設(shè)計方案

本設(shè)計的關(guān)鍵是選取合適的排水罩進氣口位置、數(shù)量和進氣角度；排水罩的外部形狀并不是制約排水罩出口處氣體沒有回流的關(guān)鍵因素（經(jīng)計算，方錐形內(nèi)的流場趨勢同回轉(zhuǎn)類殼體一致），因此排水罩可依據(jù)壓力容器的承壓特點，采用耐壓的回轉(zhuǎn)類殼體。

1.1 進氣口位置

水下焊槍微型排水罩進氣口位置選取的不同，將對其內(nèi)部流場分布產(chǎn)生較大影響。進口位置可選擇在排水罩的上部。

1） 切向進口 當進氣口為切向進入時，根據(jù)旋風分離的理論，氣體將在內(nèi)部的中間位置產(chǎn)生向上部回流的流場，其余部分向下流出排水罩，因此切向進口是不能滿足要求的。

2） 徑向進口 當進氣口徑向進入時，產(chǎn)生的回流比切向進口小很多，同時再通過調(diào)整進氣口的個數(shù)、方位和角度來優(yōu)化設(shè)計。如果是多個進氣口，應(yīng)盡量采用對稱布置的形式。

1.2 進氣口數(shù)量

單進氣口通過流體力學仿真模擬，在排水罩的出口處有部分氣體回流，不能滿足要求。因此需要在其對稱方向增加1個進氣口，以防止流場內(nèi)氣體回流的情況。超過2個進口將增加建造費用和復(fù)雜程度，不宜采用。

1.3 進氣口角度

雙徑向方向進氣口的流場并不是最佳流場，需要在豎直面內(nèi)對進氣口向下有1個傾角，這樣使氣體在出口處更容易流出。根據(jù)鋼制壓力容器GB150中等面積法對開孔的要求，當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應(yīng)≤2.0［4］，即進氣口同水平方向的夾角應(yīng)在0°～60°之間。由于設(shè)計的主要目的是保證排水罩內(nèi)氣體向下流動，容器內(nèi)流動應(yīng)盡量穩(wěn)定，減少出口處擾動。同時，考慮流動與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求［5］，進氣口同水平方向的最優(yōu)夾角范圍還應(yīng)進一步優(yōu)化。

1.4 設(shè)計結(jié)構(gòu)

水下焊槍微型排水罩結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣體進口中心線距頂面20mm，入口內(nèi)徑10mm，入口水平向下傾角40°，入口壓力0.62MPa，出口壓力0.6 MPa，入口總流量25L／min。

圖1 水下焊槍的微型排水罩結(jié)構(gòu)

2 流場分析計算

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

水下焊槍微型排水罩幾何模型根據(jù)其AUTOCAD圖紙，在GAMBIT軟件中建立三維幾何模型，并做網(wǎng)格劃分處理。為更精確地模擬氣體在容器內(nèi)的流動情況，本文采用三維模型。采用Tet／Hybrid四面體混合單元，單元類型TGrid［6］。三維模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分

仿真模擬利用流體仿真計算軟件FLUENT，主要設(shè)置如下：

1） 求解器 認為流場在一定時間后達到穩(wěn)定，求解穩(wěn)態(tài)流場。求解器采用Segregated，隱式求解［7］。

2） 流體模型 本次流體為氣體，湍流流動，采用工程中比較常用的Reynolds平均法中的渦粘模型，可 選 擇 Spalar-Almaras 方 程 或 k-epsilion 方程［8－9］。通過試算，Spalar-Almaras方程迭代收斂次數(shù)比k-epsilion方程少1／2，并且兩者計算結(jié)果基本一致。因此計算模型選擇Spalar-Almaras模型。

3） 邊界條件 入口邊界條件：pressure inlet；出口邊界條件：pressure outlet。

2.2 仿真結(jié)果分析

采用以上仿真模型重點對排水罩內(nèi)部流場進行仿真分析，分析結(jié)果如圖3～5所示。圖3為單入口和雙入口內(nèi)部流場情況，本次模型入口角度選擇40°。圖3可見：當選擇入口夾角角度較小時，容易造成氣流對沖，擾動較大；當選擇入口夾角角度較大且接近60°時，相對制造難度加大，并且結(jié)構(gòu)強度沒有小角度的好，因此入口夾角易在30°～50°之間，本次設(shè)計選擇40°。在出口段，流動已基本穩(wěn)定，擾動較小。

圖3 排水罩流場

圖4 排水罩底部出口z方向流速

由圖4a可見：排水罩底部有部分氣體回流，底部z方向速度部分為正（即為向上流動），特別在x軸上靠近入口位置氣體向上流動最為明顯。因此不宜采用單入口進氣方案，該方案不能滿足設(shè)計要求。由圖4b可見：底部z方向的速度皆為負值（即為向下流動），沒有發(fā)生回流，且在出口段流動已經(jīng)趨于穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。

圖5 雙入口豎直剖面流速

由圖5可見：氣室的上部流速要比氣室的底部流速快很多。下部流體流動比較穩(wěn)定，擾動較小，完全符合排水罩設(shè)計要求，因此雙進氣口模型滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

針對水下焊槍微型排水罩的設(shè)計要求，本文在充分考慮容器強度設(shè)計標準的前提下，重點對水下焊槍的微型排水罩進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括進氣口的位置、數(shù)量和進氣角度的選取，并采用流體力學仿真分析的方法對不同設(shè)計參數(shù)情況下容器內(nèi)流場進行了模擬分析。結(jié)果表明：水下焊槍微型排水罩宜采用雙向進氣口，并且進氣口向下要有傾角，傾角在30°～50°之間時能夠達到較好效果，滿足工程需要。

［1］ 俞建榮，張奕林，蔣力培.水下焊接技術(shù)及其發(fā)展［J］.焊接技術(shù)，2001（4）：2-4.

［2］ Jyotsan Dutta Majumdar.Underwater welding present status and future scope［J］.Journal Of Naval Architecture And Marine Engineering，2006（3）：39-48.

［3］ 陳家慶，焦向東，周燦豐，等.水下破損管道維修技術(shù)及其相關(guān)問題［J］.石油礦場機械2004，33（1）：33-37.

［4］ GB 150—2011，鋼制壓力容器［S］.

［5］ HG／T 20583—2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定［S］.

［6］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計算與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學出版社，2004.

［7］ 王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.北京：清華大學出版社，2007.

［8］ 王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［9］ 胡志堅，馬青芳，邵 強.連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)壓力腔流場數(shù)值模擬分析［J］.石油礦場機械，2011，40（9）：13-18.