大口徑天然氣管道在役焊接評定試驗臺水泵選型研究

殷海龍，文孟剛，李云

（1. 陜西煤業(yè)化工集團有限公司，陜西西安，710065；2. 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710049）

大口徑天然氣管道在役焊接評定試驗臺水泵選型研究

殷海龍1，文孟剛2，李云2

（1. 陜西煤業(yè)化工集團有限公司，陜西西安，710065；2. 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710049）

帶壓封堵在役焊接技術(shù)在長輸油氣管線在線修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，由于該技術(shù)的高風(fēng)險性，需搭建在役焊接試驗臺對其進行焊接工藝評定，并制定相應(yīng)的焊接操作規(guī)程。通常以水代替管內(nèi)介質(zhì)進行在役焊接試驗，水泵便成為保證在役焊接試驗順利進行的關(guān)鍵設(shè)備之一，但是該泵的選取原則并無標(biāo)準(zhǔn)可依。本文在DN700-X70大口徑天然氣管道在役焊接溫度場數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，研究了水流量對在役焊接溫度場、管壁燒穿和氫致裂紋的影響，證明了以小流量泵代替大流量泵進行大口徑管道在役焊接試驗中的可行性。

大口徑管道；在役焊接；焊接試驗臺；水流量；水泵

引言

大口徑厚壁管道在油氣輸送方面的應(yīng)用越來越廣泛，國外在役焊接的理論研究已取得了豐富的研究成果，為實際在役焊接操作工藝的選擇提供了諸多依據(jù)，并積累了豐富的施工經(jīng)驗，其可供借鑒的操作標(biāo)準(zhǔn)主要有API 1104和API RP 1107。API 1104明確指出不能用計算機模擬的方法代替焊接工藝評定，規(guī)定了油氣管道在役焊接工藝評定內(nèi)容，推薦了用于工藝評定的模擬試驗方法，且焊接試驗條件應(yīng)與施工現(xiàn)場相同或更惡劣；API RP 1107主要提供了管道系統(tǒng)的高質(zhì)量維修焊接方法。而國內(nèi)雖對在役焊接技術(shù)研究也取得了一定的研究成果，但是長輸管線帶壓封堵在役焊接大多僅基于長期積累的施工經(jīng)驗，缺乏可靠的操作規(guī)程可循，可借鑒的SY/T 6150標(biāo)準(zhǔn)也是參照API標(biāo)準(zhǔn)制定的，對實際工程的指導(dǎo)性不強［1］。

為保證在役焊接施工的安全進行，現(xiàn)場施工前必須進行焊接工藝評定，并制定一套完整的焊接操作規(guī)程，建立焊接試驗臺模擬與現(xiàn)場相同或比現(xiàn)場更為惡劣的條件。建設(shè)焊接試驗臺之前，需對其進行模擬焊接評價，確定合適的焊接工藝參數(shù)范圍，依此來選擇合適的焊接試驗臺設(shè)備。

在役焊接試驗通常采用水為試驗介質(zhì)代替管內(nèi)油氣介質(zhì)，水泵便成為保證在役焊接試驗順利進行的關(guān)鍵設(shè)備之一。在某一工程問題中，若使大口徑管道在役焊接試驗與現(xiàn)場施工具有相同的焊接熱條件，所需水流量非常大，致使水泵造價很高，市場中甚至無滿足相應(yīng)流量要求的水泵。本文主要研究試驗水泵的選取原則，重點分析能否用小流量泵代替大流量泵進行大口徑管道在役焊接試驗，以此降低焊接試驗臺造價，保證在役焊接試驗可行性。以小流量泵代替大流量泵進行大口徑管道在役焊接試驗時，焊接試驗管道比現(xiàn)場施工管道截面的熱條件更為惡劣，其安全性更難以保證，因此需模擬采用小流量泵時大口徑管道在役焊接試驗的溫度場，以分析其對采用大流量泵時的溫度場是否具有等效作用。

1 在役焊接試驗臺水泵選型原則

本課題中，水泵選型除了流量、揚程滿足工作中所需最大負荷，效率、可靠性、經(jīng)濟性等滿足在役焊接試驗臺需求［2］之外，還需滿足以下幾點要求：

（1） 傳熱相似：需保證在所選泵的水流量下，在役焊接試驗臺的傳熱過程與現(xiàn)場施工相同或相似；

（2） 對在役焊接溫度場的影響相似，并能保證其安全性。主要包括以下幾點：需保證所選泵的水流量下，采用與現(xiàn)場施工相同的焊接工藝時，在役焊接試驗臺管道的溫度場分布與現(xiàn)場施工相同或相似，不發(fā)生管壁燒穿，焊縫區(qū)不產(chǎn)生氫致裂紋，保證焊后管道管壁中無缺陷，保證在役焊接安全性［3］。

2 焊接試驗臺水泵選型研究

2.1水泵選型的傳熱相似性

通常天然氣輸送管道內(nèi)的天然氣極端流速為20 m/s，通常為10 m/s～15 m/s，設(shè)計溫度一般為10℃。以水代替天然氣進行在役焊接試驗，若要完全模擬施工現(xiàn)場管道的熱條件，需使冷卻水和天然氣流過管道時的管道具有相同的溫度場，即要求管內(nèi)冷卻水與天然氣的強制對流換熱系數(shù)相等。在Re為2×104～8×104的湍流范圍內(nèi)，如下的Dittus-Boelter公式比較合適，相對誤差為3%［4］。

N=0.023Re0.8Prn （1）

u其中，受熱時，液體n=0.4，氣體n=0.3；冷卻時，液體n=0.3，氣體n=0.4。

以壁厚為14.2 mm的DN700-X70大口徑天然氣管道為例，相同的換熱情況下，得出湍流范圍內(nèi)水流速與天然氣流速關(guān)系，如圖 1所示。

圖 1 湍流范圍內(nèi)天然氣流速與水流速關(guān)系

天然氣極端流速為20 m/s時對應(yīng)的水流速為1.81 m/s，水流量為2371.34 m3/h。一般市場上的水泵最大流量在600 m3/h左右，顯然不能滿足進行在役焊接試驗的水泵。若要使在役焊接試驗臺完全模擬施工現(xiàn)場管道的熱條件而定制專用泵，其經(jīng)濟投入大，且短時間內(nèi)難以找到合適的生產(chǎn)廠家，故需研究采用小流量泵代替大流量泵進行試驗的可行性，以便直接在市場上已有泵中進行選型，節(jié)省成本和時間。

2.2水流量對在役焊接試驗的影響

研究能否以小流量泵代替大流量泵進行大口徑管道在役焊接試驗，根據(jù)上文所述水泵選型原則，需要對所選水泵水流量下的在役焊接溫度場進行分析，研究水流量的變化對大口徑管道在役焊接溫度場、管壁燒穿以及氫致裂紋的影響，證明水流量的變化對上述各量無影響或影響很小。

本課題利用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬，根據(jù)在役焊接施工現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，設(shè)置表 1中所示的焊接工藝參數(shù)，并選取市場上泵的一般流量范圍，對不同壁厚（壁厚大于12.7 mm為厚壁，小于12.7 mm為薄壁［5］）的DN700-X70大口徑管道進行在役焊接數(shù)值模擬，管道及焊條的尺寸和材料參數(shù)如表2所示，驗證能否以小流量泵代替大流量泵進行在役焊接試驗。

進行模擬時，在已有的有限元和傳熱理論的基礎(chǔ)上，對模型以及邊界條件進行了如下假設(shè)：

（1） 傳熱過程：焊接傳熱過程為三維瞬態(tài)傳熱過程［6］；

（2） 邊界條件：管內(nèi)外表面?zhèn)鳠釣閺娭茖α髋c輻射［7］；熱影響區(qū)以外的管道截面為等溫（絕熱）；三通與母管之間的間隙很小，由于焊接溫度很高，可忽略；

表1　焊接工藝參數(shù)

表2　尺寸和材料參數(shù)

（3） 相變影響：主要考慮管道材料熔化與凝固過程中的固液相變潛熱［7］；

（4） 冷卻時間：實際焊接時，若采用多道焊，各道焊縫之間無需等待冷卻，故模擬時各道焊縫之間不再單獨設(shè)置冷卻時間；

（5） 研究區(qū)域：管壁燒穿與氫致裂紋由焊接引起，故重點研究焊縫及其正下方的區(qū)域。

焊接熱源模型選擇：焊條生成熱對管道三維瞬態(tài)傳熱來說相當(dāng)于內(nèi)熱源。為確保模擬結(jié)果與實際焊接溫度分布結(jié)果相近，使模擬結(jié)果得到的焊接熔池與實際具有相同或相近的熔深與熔寬，可使用焊縫單元內(nèi)部熱生成這種等效體熱源模型代替焊條，以獲得較好的溫度場模擬結(jié)果。該模型將焊接熱源的熱強度賦予對應(yīng)的單位體積，在焊接之前，先利用很小的因子［ESTIF］將其“殺死”，隨著焊接熱源移動，再將其激活，單元激活過程相當(dāng)于實際焊接過程中焊縫的生成［8］。

管壁燒穿預(yù)測：僅以管內(nèi)壁最高溫度預(yù)測在役焊接管壁燒穿的方法并未考慮管內(nèi)介質(zhì)壓強的作用，對管內(nèi)介質(zhì)壓力較高的管道在役焊接修復(fù)評估具有一定局限性［9］。剩余強度理論應(yīng)用于管道在役焊接燒穿預(yù)測時，在役焊接管道可近似看作為含缺陷管道，將承受管內(nèi)介質(zhì)壓強的高溫壁厚等效為常溫下承受同等壓強值的等效壁厚，從而計算在役焊接時管壁可承受的最大壓強值，并與管內(nèi)介質(zhì)壓強作對比，預(yù)測管壁是否會失效［10］。

氫致裂紋預(yù)測：主要研究焊接熱影響區(qū)金屬最大硬化因子，一般最常用的是焊縫區(qū)最高溫度點從800℃降到500℃的冷卻時間T8/5，或從800℃降到300℃的冷卻時間T8/3，以計算焊接熱影響區(qū)的最大硬化因子HVmax。其中最常用的是T8/5，其計算在工程上常常應(yīng)用烏威爾法［11］。一般認為焊接工藝使焊接熱影響區(qū)硬度值大于350 HV時，就應(yīng)對該工藝產(chǎn)生氫致裂紋的可能性進行評估［12］。

利用ANSYS建立如圖 2所示天然氣管道模型，并劃分如圖 3所示網(wǎng)格。為節(jié)省計算時間，選取周向45°（1/8管道）設(shè)置對稱邊界條件，進行有限元計算。

圖2　管道模型

圖3　網(wǎng)格劃分

2.2.1水流量變化對管壁燒穿的影響

由圖 4知，在役焊接試驗管內(nèi)流量從36 m3/h變化到360 m3/h時，試驗管道可承受最大壓力變化較小。管道壁厚為12.7 mm時，水流量變化引起管道可承受最大壓力的變化最大，但僅增加1.13 MPa。原因在于大口徑管道內(nèi)冷卻水流量變化引起的水流速變化較小，管內(nèi)強制對流換熱系數(shù)的變化也較小，故水流量的變化對溫度場分布的影響就比較小。此外，壁厚越大，管道可承受的最大壓力也就最高，但對于12.7 mm以下的三組薄壁管道，可承受最大壓力上限均小于管道內(nèi)壓8 MPa，故在役焊接時，大口徑薄壁管道極易發(fā)生管壁燒穿。

圖4　管道可承受極限壓力與水流量關(guān)系

2.2.2水流量變化對氫致裂紋的影響

由圖 5知，增加管內(nèi)冷卻水流量，金屬冷卻時的最大硬化因子增大，且流量越大，增長曲線越平緩，流量變化引起的最大硬化因子變化越不明顯；另一方面，管道壁厚越大，最大硬化因子越大，流量對金屬冷卻最大硬化因子的影響越小。此外，對6種壁厚的DN700-X70管道，水流量變化時，焊縫區(qū)金屬最大硬化因子均小于350 HV，故產(chǎn)生氫致裂紋的可能性很小，管道焊接完成后產(chǎn)生缺陷的可能性也很小。

圖5　管道金屬最大硬化因子與水流量關(guān)系

由于水流量變化對大口徑管道在役焊接溫度場、管壁燒穿和氫致裂紋的影響較小，故可用小流量泵代替大流量泵進行大口徑管道在役焊接試驗。根據(jù)研究的流量范圍，本課題可選擇沈陽水泵產(chǎn)品銷售有限公司的DG型高壓鍋爐給水泵中的DG45-80，其流量調(diào)節(jié)范圍為36～62 m3/h，額定功率為220 kW，揚程為836.6～800～681.8 m，可滿足試驗需求。

3 試驗驗證

為驗證所建立模型、所用求解方法以及以上假設(shè)對本項目在役焊接模擬的適用性，本文以新疆大學(xué)祁文軍教授使用其自行研制的焊接參數(shù)微機測試儀進行試驗所得結(jié)果［13］為參照，采用與其相同的焊接工藝參數(shù)進行建模并求解溫度場，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比。

此試驗過程中，采用如下焊接工藝參數(shù)：焊件材料Q235；焊件尺寸300 mm×120 mm×3 mm；焊接方法為焊條電弧焊堆焊；焊接環(huán)境溫度15℃；焊接電壓23 V；焊接電流100 A；焊接速度4 mm/s。采樣周期0.3 s，6個熱電偶所在橫截面位置距焊縫中心的距離d依次為0.5 mm，2.5 mm，5.5 mm，8.5 mm，11.5 mm，15 mm。根據(jù)以上焊接工藝參數(shù)建立模型如圖 6，求解溫度場。

圖 6 實驗驗證模型

3.1結(jié)果對比

由于網(wǎng)格單元沿焊縫方向和沿焊件板長方向存在的最小單元尺寸為2 mm，所研究的節(jié)點并不能完全保證與實驗熱電偶測點完全一致。以距焊縫最近的0 mm、2 mm處的節(jié)點溫度結(jié)果與實驗0.5 mm、2.5 mm處的測點結(jié)果進行對比，如圖 7所示?？芍M0 mm、2 mm處測點的溫度熱循環(huán)曲線與實驗0.5 mm、2.5 mm處測點的溫度熱循環(huán)曲線規(guī)律基本相同，在焊接熱源到達時，溫度迅速升高，隨著焊接熱源的遠離，溫度又降低，且冷卻速率小于焊接加熱速率，但模擬的最高溫度值大于實驗測點的最高溫度值。

圖 7 模擬與實驗的焊接熱循環(huán)曲線

3.2 誤差分析

模擬測點比實驗測點距離焊縫中心更近，由于焊縫區(qū)溫度梯度很大，測點位置微小的變化便會引起溫度值的較大變化，故模擬測點與實驗測點位置不一致是引起誤差的最主要原因，故模擬0 mm、2 mm處測點的溫度熱循環(huán)曲線峰值比實驗0.5 mm、2.5 mm處測點的溫度熱循環(huán)曲線峰值高，且由于曲線下降段斜率相差不大，即冷卻速率基本相同，這便導(dǎo)致冷卻過程中的模擬溫度比實驗溫度高。模擬0 mm、2 mm處與實驗0.5 mm、2. 5 mm處溫度峰值對比如表3所示，兩測點處的溫度峰值誤差均在15%以內(nèi)，且近焊縫中心測點的誤差更小。由以上分析反映出在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)生熱生死單元內(nèi)熱源模擬天然氣管道在役焊接溫度場是正確的。

表3　模擬與實驗溫度峰值對比

4 結(jié)論

（1） 大口徑管道在役焊接試驗臺的建設(shè)對其現(xiàn)場施工具有重要意義，在進行焊接工藝評定的基礎(chǔ)上，可制定出一套完整的焊接操作規(guī)程。

（2） 若要完全模擬大口徑管道現(xiàn)場施工過程中的熱條件，所需水流量過大，難以在市場上的水泵中進行選型，故研究水流量對大口徑在役焊接的影響對建設(shè)在役焊接試驗臺至關(guān)重要。

（3） 水流量對大口徑管道在役焊接管壁燒穿和氫致裂紋影響不大。水流量在36～360 m3/h范圍內(nèi)，DN700-X70大口徑管道可承受極限壓力變化很小，焊縫區(qū)金屬最大硬化因子均小于350 HV，產(chǎn)生氫致裂紋的可能性很小，焊后管道產(chǎn)生缺陷的可能性不大。故在役焊接試驗臺進行水泵選型時，在滿足試驗系統(tǒng)揚程、負荷、可靠性等要求的基礎(chǔ)上，可用小流量水泵代替大流量水泵進行大口徑管道在役焊接試驗，保證在役焊接試驗的可行性和經(jīng)濟性。

（4） 在上述流量及焊接工藝參數(shù)下，DN700-X70大口徑厚壁管道可承受極限壓力均大于管道內(nèi)壓8 MPa，而壁厚小于12.7 mm的三組薄壁管道可承受極限壓力均遠小于管道內(nèi)壓，極易發(fā)生管壁燒穿，故長輸油氣管線最好鋪設(shè)厚壁管，以保證足夠的使用壽命以及后期在役焊接修復(fù)的安全性。

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文孟剛（1992-），通訊作者，碩士，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院與技術(shù)學(xué)院碩士研究生。研究方向：主要從事化工過程機械及兩相流動與傳熱方面的科研工作. E-mail: wenmenggang@stu.xjtu.edu.cn

殷海龍（1989-），碩士，陜西煤業(yè)化工集團有限責(zé)任公司綜合部秘書處主管。研究方向：化工機械

E-mail: yinhl@shccig.com

李云（1968-），博士，教授，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院與技術(shù)學(xué)院副院長。研究方向：化工流程機械的開發(fā)與研究、氣固兩相流動模擬與分離。

E-mail: yunli@mail.xjtu.edu.cn

Study on The Selection of Water Pump of In-service Welding Test-bed

Hailong Yin1， Menggang Wen2， Yun Li2（1. Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi， 710065， China；2. School of Chemical Engineering and Technology， Xi'an Jiaotong University， Xi'an， Shaanxi， 710049， China）

In-service welding plugging with pressure technology is applied increasingly extensively in the online repair of long-distance oil & gas pipelines. For the high risks of such a technology， it is necessary to build in-service welding test-bed， perform welding procedure qualification and formulate the appropriate procedures of in-service welding. In general， water is usually utilized instead of the tube medium when conducting in-service welding experiment， so water pump has been one of the key equipment in the experiment， but there are no principles of the selection of water pump. In this study， on the basis of numerical thermal simulation of in-service welding on the DN700-X70 natural gas pipelines with large diameter， the influence of the water flow rate on the in-service welding temperature field， burnthrough and hydrogen-induced cracking is investigated. The result validates the feasibility of using a low flow water pump instead of a high one conducting in-service welding experiment.

Large Diameter Pipelines； In-service Welding； Welding Test-bed； Water Flow Rate； Water Pump

TG457.6

A

2095-8412 （2016） 04-666-05

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.023