辽河油田建设有限公司
摘要：高压天然气管道不停输带压焊接工程直接影响施工过程和工程完工后管道运行的安全。目前高压天然气管道不停输带压焊接工艺主要使用三通法兰组件。这种焊接方式是将不同材质的管子和管件焊接在一起。为了保证焊接接头的强度满足工程的要求，必须明确三通法兰组件焊接的技术要点，这就需要通过焊接实验进行技术要点的掌握。对管子和管件进行带压静态和动态的焊接实验。
关键词：高压天然气管道；不停输带压焊接；可靠性
引言
目前，天然气产业的发展符合我国低碳经济的发展要求，燃气是一种新型的清洁能源，因此得到了广泛的使用。高压天然气管道不停输带压施工是天然气管道施工的重要环节，它主要包括天然气管道泄漏的抢修和管道的改切工程，并且在很多燃气企业中得到了广泛的应用。因为不停输作业，所以新管道和旧管道之间不能进行直接的对焊，只能采用角焊缝结构，这种方式对焊口质量的要求较高。对高压天然气管道不停输带压焊接可靠性进行探究式具有重要意义的，可以避免高压天然气管道停止运行带来的不利影响，弥补我国高压天然气管道运行维护的技术短板，所以一定要引起重视。
1 燃气管道不停输施工设备和焊接实验说明
1990年，我国从美国公司引进了高压管道不停输施工技术。近几年来，由于我国天然气需求的不断增加，导致高压燃气管道的建设数量也需要增加，城市的市政工程、高速公路、铁路大量建设引起管道切改程度也在不断增长。除此之外，随之引起的外力破坏事故的抢修也经常发生，所以，这项技术和设备的需求量不断增加，为该技术的发展提供了很大的基础。燃气管道不停输施工设备主要有:开孔机、封堵器、液压站等。主要的附件有三通法兰组件。本文主要是对三通法兰组件的安全性和可靠性进行研究。通过一系列的焊接实验可以得出最佳焊接工艺的参数，也可以得出焊接后三通法兰组件的有限元建模的相关参数，通过对这些数值的精确，可以提高高压天然气管道不停输带压焊接的可靠性，所以对高压天然气管道不停输带压焊接的研究很有必要。
本文主要通过实验的方式来研究三通法兰组件的安全性和可靠性。本实验选用的管子材质为L360，通法兰组件材质为Q345B，开孔率为0.8，焊接材料选用4.0毫米的J507焊条，管内压力为0.8 MPa。通过对四种焊接工艺在带压气体不流动的静态下的焊接试样进行金相组织和拉断实验，从而确定合理的焊接工艺。随后，再通过带压气体流动的模拟动态实验进行验证。
2焊接实验
2.1 360 + 03458带压静态焊接工艺设计
本文设计了四种带压静态焊接方案，按照这四种施焊工艺分别对L360钢和Q345B钢的接头用J507焊条进行焊接实验。三通法兰组件厚度为19毫米，管子厚度为8毫米。分别从四种方案的焊接接头上截取三个试件，运用不同的焊接接头拉伸试件。对四组试件进行试件拉伸实验，从而得出结果。由实验结果可以看出，由方案一和方案二得到的焊接接头，焊缝周围是最薄弱的地方，拉伸的断裂位置也处于焊缝。方案三和方案四的焊接接头的断裂位置分别位于热影响区和母材。通过金相实验，从金相图可以看出，焊缝金属的组织是先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体。焊接接头粗晶热影响区的显微金相组织主要为贝氏体和少量马氏体。通过试样拉伸实验数据分析，方案一和方案二断裂处在焊缝，其抗拉强度多数达不到《石油天然气工业管线输送用钢管》中表六和表七焊接钢管母材、焊缝和热影响区抗拉强度最小值，因此，这两个方案达不到与原管道同强度的要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆方案三和方案四断裂处在热彬响区和母材，其抗拉强度全部达到《石油天然气工业管线输送用钢管》中表六和表七焊接钢管母材、焊缝和热影响区抗拉强度最小值，以此确定动态实验的焊接工艺。
2.2 L360+Q345B带压动态焊接工艺设计
为了使焊接工艺更符合实际高压天然代管道不停输带压施工的抢修，本义设计了带压动态焊接工艺实验，对带压开孔管道内充水，并保持水流动，管内压力为0.8 MPa。三通法兰组件Q345B厚度为19毫米，管子L360厚度为8毫米，焊接相关参数如下:焊接材料为4.0毫米的J507焊条，焊接电流为140-170 A，焊接电压为20-25 V。从焊接接头上截取3个拉伸试件，通过焊接接头进行实验，得到实验结果？焊缝的金相组织是先共析铁索体、侧板条铁素体、针状铁素体,粗品热影响区的组织主要是贝氏体。通过动态焊接试件拉伸实验可以得出，焊接的断裂处于热影响区和母材，其抗拉强度全部达到《石油天然气工业管线输送用钢管》中表六和表七中焊接钢管、母材、焊缝和热影响区抗拉强度最小值，通过金相检验，没有残留未回火马氏体，符合《石油天然气工业管线输送用钢管》中第10.2.5.3款对焊接钢管金相检验的要求。综上所述，确定高压天然气管道不停输施工的最佳焊接工艺的标准如下:焊接材料为J507焊条，焊接电流为140-170 A，焊接电压为20-25 V，焊脚尺寸为14-16毫米。
3管道三通法兰组件有限元模拟
3.1焊机后三通法兰组件的有限元建模
选取焊接后三通法兰组件有限元模型的四分之一进行计算，建模单元是3D八节点，网格的划分采取自由划分的形式。整个三通法兰组件的模型包括两万三千五百一十四个四面体单元，七千七百八十个节点。相关的参数如下:管子材质为L360，管子壁厚为7.1毫米，三通法兰材质为Q345B，三通法兰壁厚为19毫米，管道内压为2.5MPa，焊接材料为J507焊条，悍脚尺寸为14毫米。
3.2模拟结果和分析
经过模拟计算，得出了法兰组件的应力分布结果。第一，计算结果显示，在x轴方向上，三通法兰的最大应立为185MPa。焊缝的最大应力为36.2MPa。坐标右侧的数据为应力的数值单位为Pa。第二，计算结果表明，在y轴方向上，三通法兰的最大应力为277MPa，焊缝的最大应力为28.9MPa。第三，计算结果显示，在z轴方向上，三通法兰的最大应力为239MPa，焊缝的最大应力为57.7MPa。第四，计算结果表明，在xy平面上，三通法兰的最大切应力为63.5MPa，焊缝的最大切应力为20.5MPa。第五，三通法兰最大应力为377MPa。焊缝最大应力为130MPa。从有限元模拟的结果可以看出，三通法兰结构中正应力分量最大值为277MPa，切应力分量最大值为63.5MPa。角焊缝上的等效应力最大值为130MPa。应力的分析结果表明，最大应力点并不在三通法兰组件和管子连接的焊缝处。角焊缝上的等效应力的最大值为130MPa，小于管道许用应力。
结语
高压天然气管道不停输带压焊接难度越来越大，需要通过一系列的焊接实验保证焊口质量，所以不停输带压焊接的可靠性得到了很多人的关注。焊接实验完成后，采用有限元应力分析软件对焊接接头进行应力分析，从而得出焊接接头的应力分布满足工程的要求。根据实验获得的实验数据和有限元应力分析表明，在合理的焊接结构和焊接工艺的基础上，不停输带压施工是可靠的，其安全性也满足高压天然气运行的要求。
参考文献
[1]陈玉栋.化工厂部分管道带压焊接消漏的几种方法体会[J].智能城市,2018,4(13):156-157.
[2]陈铁峰,王涛,王伟.刍议输油管道漏油带压焊接技术[J].科技创新与应用,2016(34):124.
[3]陈代双,李良伦,王礼梅,黄斌.谈管线在线带压焊接[J].设备管理与维修,2014(10):25-26.
[4]李旦,杜旭峰.输油管道漏油带压焊接技术探讨[J].中国石油和化工标准与质量,2012,32(06):74.
论文作者:陈星宇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/30
标签：法兰论文; 管道论文; 天然气论文; 金相论文; 应力论文; 高压论文; 组件论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;