油气管道激光电弧焊工艺安全条件研究与应用_陈自振.pdf

安全、健康环境安全技术2023 年第 23 卷第 2 期编辑赵梦竹DOI:103969/jissn1672-7932202302004SAFETY HEALTH ENVIONMENT22油气管道激光电弧焊工艺安全条件研究与应用*陈自振1，李天伟1，任建志1，韩卫亮1，范伟2(1中石化河南油建工程有限公司，河南郑州4500002 中石化石油工程建设公司，北京100020)收稿日期:2022-09-19第一作者简介:陈自振，高级工程师，1995 年毕业于中国石油大学(华东)焊接工艺及设备专业，现从事油气田、油气管道储运和石油化工等领域的工程建设管理工作。*基金项目:中石化石油工程技术服务有限公司科研专项(SG21-44K、SG19-32K)，特殊条件下管道全自动焊接技术的应用研究。摘要:针对焊接工艺参数超出安全条件时，焊缝会出现应力集中、疲劳开裂的问题，采用 SY-SWELD 软件建立了激光电弧焊 X80 钢板有限元模型，分析了焊接速度与预热温度对焊缝质量的影响。发现随着焊接速度的增加，纵向残余应力先降低后增加，现场可由最小残余应力确定安全焊接速度。安全焊接速度与预热温度有关，结合硬度可确定安全预热温度。以中俄东线黑河-长岭段天然气管道为研究对象，确定了现场安全焊接速度为 2.6 m/min，安全预热温度为 100，为现场油气管道激光电弧焊提供理论指导。关键词:激光电弧焊;安全焊接速度;安全预热温度;焊缝硬度;残余应力;油气管道中图分类号:TE88文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)02-022-060前言油气管道焊接主要包含摩擦焊、电弧焊、激光焊及激光电弧焊等方式，摩擦焊焊接质量稳定，无火花及有害气体，但是由于需要靠接触旋转实现，被焊件变形较大，不适用于非圆截面工件，焊接速度较低，是激光电弧焊焊接速度的 1/30。电弧焊热利用率高，搭桥能力强，但其加热速度较慢，热作用范围大，导致焊接速度低，热影响区域大，焊缝较宽，深宽比较小。激光焊焊接速度高，热影响区域小，焊缝较窄，深宽比较大，焊接变形小，强度高，但母材气化降低激光吸收率，使能量利用率降低导致焊接不稳定。激光电弧焊是近年发展起来的新型焊接工艺1，2，电弧加热有利于提高激光的吸收效率，激光可诱导吸引电弧提高焊接稳定性，激光与电弧之间的协同增强效应使其具备熔深大、焊接速度高、变形小、穿透力强、间隙桥接性良好等优势3-6。激光电弧焊作为被广泛使用的连接方式，在化工能源、汽车工业、重型机械、船舶铁路等领域表现出色，近年来在油气管道行业也逐步得到了关注7-9。S Grnenwald，等10 研究了激光-GMA 复合焊对 X65 钢板(厚度 9.5 mm)和 X70钢板(厚度 14 mm)的适用性，焊接速度控制在1.02.0 m/min，焊接试件的机械性能与传统电弧焊的性能相当。Turichin G，等11 研究了激光电弧焊接过程中 20 mm 厚的 X80 钢熔池行为，发现单道焊可全焊透 15 mm 的钢板，而 24 mm 的钢板需要多道焊。严春妍，等12 研究了激光-MIG 复合焊焊接速度对 S355 钢应力分布和接头硬度的影响，结果表明随着焊接速度的变大，冷却速度和纵向残余应力均升高，HAZ 位置产生应力集中现象。Gumenyuk A，等13 研究了不预热和预热至 250 2023 年第 23 卷 2 期安全技术SAFETY HEALTH ENVIONMENT23两种工况下 X65 钢焊缝的机械性能，预热促使焊缝维氏硬度从 410 降低到 250。总体而言，焊接速度与预热温度直接影响了冷却速度和焊缝硬度，硬度超标会增大开裂风险14-18。激光电弧焊在石油化工领域应用广泛，其焊缝质量与性能直接影响石化管道与设备的运行安全。若焊缝硬度较高，产生应力集中现象，在外力作用下石化管道与设备会出现弯折、断裂的情况，内部流体泄漏影响正常生产，污染周边环境，甚至造成人员伤亡。本文以 14 mm 厚的 X80 钢板为对象，建立激光电弧焊有限元模型，研究焊接速度与预热温度对焊缝质量的影响，研究安全工艺参数从而控制冷却速度保障焊缝的机械性能。1激光电弧焊模型的建立采用 SYSWELD 软件建立激光电弧焊有限元模型，2 块尺寸为 240 mm100 mm14 mm 的 X80钢板对缝焊接，坡口形状为 Y 形，角度为 30，对口间隙为 0，钝边尺寸为 7 mm，焊缝长度为 240 mm。在焊缝附近应力和温度变化较大，需要进行网格加密，远离焊缝的位置适当减少网格数量。所建模型节点数量为 54 136 个，网格总数为48 500个，划分结果如图 1 所示。图 1钢板焊接有限元模型对于激光电弧焊，激光在焊缝内壁之间不断反射加热，形成顶部至底部能量逐渐升高的分布，选用三维锥体热源模型表征激光的热输入模式;电弧焊接热输入主要是体积热源，选用双椭球热源模型表征电弧的热输入模式。同时，对模型参数进行整定来表征两种热源之间的耦合作用，建立双椭球热源模型+三维锥体热源模型，焊接类型选择“hybrid”，首先设置激光焊热源参数，热源类型选择“Beam”，顶部直径为 6 mm，底部直径为 4mm，穿透深度为 7 mm，焊接速度设置为 1.83 m/min，焊接功率为 3.5 kW，能量输入为焊接功率与焊接速度的比值，开始时间设置为 0。然后设置电弧焊热源参数，热源类型选择“AC”，熔池长度为10 mm，宽度为 4 mm，穿透深度为 7 mm，焊接速度设置为 1.83 m/min，焊接功率为 4.6 kW，能量输入为焊接功率与焊接速度的比值，电弧焊与激光焊的热源间距为3 mm，开始时间为热源间距与焊接速度的比值。冷却情况选择 air，设置 free aircooling 模式，加持条件中采用三点约束方式。焊板材质为 X80 钢，初始温度为 20，热源间距为 3mm。焊接速度控制在 1.83 m/min，变化梯度为0.2 m/min。预热温度控制在 40160，变化梯度为 40，电压和电流分别为 25 V 和 185 A。2激光电弧焊力学特性分析21不同位置焊缝硬度变化焊接速度为 1.4 m/min，不进行预热，焊缝不同位置的硬度变化如图 2 所示。图 2不同位置焊缝硬度变化由图 2 可知，焊缝顶部硬度最高，根部硬度适中，中部硬度最低，主要原因是焊缝顶部表面积最大，与外部换热速度最快，冷却时间最短，较高的过冷度促使晶粒细化，形成大量的马氏体，马氏体的硬度明显高于贝氏体及铁素体，因此，焊缝顶部硬度最高。焊缝根部同样与外部换热，但换热面积有限，形成的马氏体数量有限。而焊缝中部不直接与外部接触，换热速度最慢，冷却时间最长，陈自振，等油气管道激光电弧焊工艺安全条件研究与应用安全、健康环境安全技术2023 年第 23 卷第 2 期SAFETY HEALTH ENVIONMENT24形成的马氏体最少，硬度最低。以下以硬度最大的焊缝顶部为研究对象。焊接接头包含焊缝、热影响区和母材 3 个区域，焊缝区与热影响区均呈“山峰”形状，存在峰值。热影响区硬度明显低于焊缝区，硬度最大值存在于焊缝区中心。焊缝中心位置硬度变化幅度较大，应力一般集中在此区域，且硬度处于峰值，此位置最容易出现开裂现象，技术人员在巡查石化管道与高压设备时，应重点观察焊缝中心位置的外观是否存在缺陷。22焊接速度对焊缝硬度的影响焊接前未预热，焊接速度由 1.4 m/min 升高至 3.0 m/min，得到焊缝顶部硬度分布曲线，如图3所示。图 3焊接速度对焊缝硬度的影响由图 3 可知，随着焊接速度的升高，焊缝区硬度峰值随之变大，而母材硬度变化不大。其主要原因是，在低焊接速度下，焊缝与母材受热时间较长，热输入能量大，结晶热量不断从熔融金属向母材方向释放，在冷却过程中，受到母材回热的影响，焊缝冷却速度较慢，冷却时间较长，形成马氏体结构较少，硬度相对较低，而高焊接速度恰恰相反。焊接速度在 2.2 3.0 m/min 之间时，焊 缝 硬 度 峰 值 变 化 幅 度 相 对 较 大。GB502352010工业金属管道工程施工及验收规范 规定，X80 钢焊缝硬度不能超过 HV10300，其中 HV10是指载荷为 10 kg 下测量得到的维氏硬度。对于焊接前不预热的工况，焊接速度最大值为 2.2 m/min。焊接速度为 2.6，3.0 m/min 时，焊缝硬度达到 HV10321，HV10358，焊缝硬度过高的焊缝脆性也相对较大，在外载荷作用下易出现管道连接部位断裂或者设备板材焊接处弯折的问题。23预热温度对焊缝硬度的影响焊接速度为 2.6，3.0 m/min，预热温度由20(未预热)升高至 180，得到焊缝顶部硬度分布曲线，如图 4、图 5 所示。图 4预热温度对焊缝硬度的影响(2.6 m/min)图 5预热温度对焊缝硬度的影响(3.0 m/min)由图 4 可知，随着预热温度的升高，焊缝区硬度逐渐变小，母材硬度变化很小。预热温度由20 升高至 100 过程中，焊缝硬度降低幅度较大，当预热温度由 100 升高至 180 过程中，预热温度对焊缝硬度的影响较小。不进行预热时，焊缝最大硬度达到 HV10321，超出 GB 502352010 工业金属管道工程施工及验收规范 规定的最大硬度 HV10300。预热温度升高至 60 时，焊缝最大硬度为 HV10287，预热温度升高至 100 时，焊缝最大硬度为 HV10269，焊缝硬度降低至国家标准之内。因此，激光电弧焊采用预热的方法可有效降低焊缝硬度，管道连接更加牢固稳定。对比图 4、图 5 可知，不预热情况下，焊接速度为2023 年第 23 卷 2 期安全技术SAFETY HEALTH ENVIONMENT252.6，3.0 m/min 时，焊缝最大硬度为 HV10321，HV10358。预热温度升高至 100，焊接速度为2.6，3.0 m/min 时，焊缝最大硬度为 HV10270，HV10304。预热温度升高至 140，焊接速度为2.6，3.0 m/min 时，焊缝最大硬度为 HV10262，HV10295。由此可知，预热温度为 100，最大焊接速度为 2.6 m/min，预热温度为 140，最大焊接速度由 2.6 m/min 偏移至 3.0 m/min，即升高预热温度可提高最大焊接速度。24焊接速度对焊接纵向残余应力的影响预热温度为100，焊接速度由1.4 m/min 升高至 3.0 m/min，得到焊缝纵向残余应力分布曲线，如图 6 所示。图 6焊接速度对纵向残余应力的影响由图 6 可知，随着焊接速度的增加，残余应力先降低后升高，焊接速度为 2.6 m/min 时残余应力降低至最小值。主要原因是，母材附近首先冷却形成固定结构，焊接速度较低时，熔池持续时间较长，焊缝区冷却速度慢，温度相对较高，熔池受到周围结构的制约程度较大，形成的残余拉应力较大。焊接速度增加，熔池持续时间变短，焊缝区冷却速度快，熔池受到周围结构的制约程度变小，形成的残余拉应力降低。但当焊接速度继续增加时，激光的吸弧作用变弱，更多的电弧热流保留在焊缝坡口内，向母材方向的传热变弱，电弧热流密度增加，熔池与母材之间的温度梯度变大，残余应力略有变大。25预热温度对焊接纵向残余应力的影响焊接速度为 1.4 m/min，预热温度由 20(未预热)升高至 180，得到焊缝纵向残余应力分布曲线，如图 7 所示。图 7预热温度对纵向残余应力的影响由图 7 可知，随着预热温度的增大，焊缝处纵向残余应力降低，石化管道连接处稳定性与安全性增强，出现断裂现象的概率降低。在焊接过程中，焊缝熔池温度较高，熔池与母材之间的温度差异较大。从熔池到母材温度逐渐降低，温度较低靠近母材的位置优先冷却形成固定结构，而焊缝区域及热影响区冷却速度慢，在最终成型时受到周围结构的制约形成较高的拉应力。预热有利于降低焊缝与母材之间的温差，焊缝受到的制约程度变小，形成的残余拉应力变小。预热温度越高，焊缝与母材之间的温度梯度越小，残余应力相应降低。另一方面，预热温度升高，结构组织中贝氏体和铁素体变多，而马氏体