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中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译腐蚀气管线周边袖套填角焊所需最小厚度学生姓名：符红雷学号：07043302专业班级：材料成型及控制工程07-3班指导教师：王引真2011年3月18日中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译腐蚀气管线周边袖套填角焊所需最小厚度摘要此研究中用数值模拟袖套焊接修复所需的最小可焊接的管壁厚度。它是根据Battelle提出的作为腐蚀气体管线带压焊接操作功能的一个方法。研究最小可焊厚度是为了提高被焊部位气体流动率。修复的性能是可以评定的，暂时提高修复区域的流动的替代措施也是有价值的。关键词:气管线；修复；在线焊接中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译目录1引言.........................................................12.实验和数值条件...............................................43温度分布模型.................................................64确定最小可焊厚度............................................................................................75减薄修复区的完善..........................................................................................126结果讨论....................................................177结论........................................................178参考文献....................................................18中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译11引言天然气运输公司拥有数千英里的地下管道，回到过去20世纪四、五十年，在那时，防腐保护技术（比如：保护涂层和阴极保护）没有得到很好的发展，各公司共同面对的缺点都归因于腐蚀消减。全世界最主要修复漏气管道的方法都是换掉泄露的管道。然而，这么做就必须关掉气阀和给受影响的管道部位开孔。那没有支管来分流气体，这样意味着停止许多地区的气体供应，此结果会用户和运输公司。一种有效替代减小用户丢失和恢复腐蚀管道的服务的技术是用全覆盖袖管修复。全覆盖袖管焊接是用来修复气管线中的缺陷，如图1所示。套管式由两半袖套纵向焊接得到，那也是对如果气体泄露或其它缺陷的气管周边的焊接修复。设计标准可在API标准1104附录B的Ref查询[1]。那些套管通常用于一般由于腐蚀引起的减薄或气体泄漏处理修复。当发现减薄缺陷就用密封环形套管和出口阀来防止气体通过焊接部位。这种修复需要对管道周边进行填角焊接来防止在以后的气体输送中出现泄漏。这种修复气泄漏的可能性可能是袖套焊接修复在此类技术中最大的优势，这也是个里程碑。这些袖套的焊接在此领域无疑是个艰巨的任务。通常，短时间和较差的地理或气候条件使得切割、加固和焊接袖套到填埋的管道上是非常困难的，需要专门受过培训的人和设备。因此，无需惊讶，有许多袖套修复时失败的。这些失败大多数原因都是由于在装配袖套时推动力的变化和提高以及野外焊接程序和无破坏测试修复造成的。中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译2图1气管线全覆盖袖管焊接修复如果没有适当的培训，由于担心管道烧穿，焊工会倾向于采用短的焊接时间和采用高的沉淀率，这可以获得纤维电极。纤维套电极的应用是在腐蚀的管线中式都共同采用的，但对于在役管线焊接是非常危险的，这会引起氢致裂纹[3]。低氢基电极规范现在非常受到推崇，应用具体指定的预热和热输入来避免高冷却率和烧穿[4]。在周边套管与管道的焊接过程中出现的烧穿由被焊管道厚度和焊接过程中熔池的深度控制。焊接深度取决于热输入，热沿于管道和套管扩散，此扩散通过内部气体（天然气）和管道周围（空气）。这个扩散的持续时间取决于温度和流动参数、压力。可以控制的参数是气体的流速。第19次编制的API标准1104最近已经收编了减少烧穿危险的介绍[1]。其表明如果壁厚大于或等于6.4mm时，用低氢电极（EXX18型）和手工焊是不会发生烧穿的。如果如果壁厚小于6.4mm时需考虑烧穿危险。文献记录了热输入预测方法，形如那些在Ref发展或其它被证实的方法应该被用于决定热输入限制这些应用。当在实施在役管线薄壁焊接时，特别是预防措施，例如热输入限制程序的采用通常是明确的。在役管道焊接的成功实施必须达中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译3到一方面安全和另一方面防止出现不想出现的产物。例如，如果管道壁很薄（例如小于6.4mm），这也许必须限制热输入来减小烧穿危险；然而，小的热输入水平也许不能满足克服管壁带走的热量，结果会引起过快的冷却速度和导致轻质裂纹。因此，必须提出一个妥协方案。油气运输公司已经实施了若干方案来转变这一进程使油气管道进入了持续生活管理工具时代。早前，这种修复时常被认为是种“紧急”装置。一个新的焊接进程正在实施中。袖套修复中的压力状态实验决定是用来确定焊接过程产生的压力的影响，应用环形装置防止气体泄漏。巨大的压力，达到270MPa，发现于人工气体泄漏测试中。许多操作方法对套管减压和降低失败危险是很乐观的。此领域先前的工作包括对增压给袖套的长度和整体性失败的评估，没有尝试在焊接过程对压力测定的发展[6,7]。过滤气体被广泛用于监视测定在满量程管道测试中的压力状态[8]。在圆形套管与管道焊接处的压力分布的分析或数值模拟包括每一个互相影响的几何和填充物变量（管道和套管的厚度，套管的长度，套管与管道的间隙，加压的间隔等）的变量分析。分析压力接近于环形套管由Smith和Wilson实施取得的弹性分析解决办法。他们的结论主要有：·增加套管的厚度超过管壁厚度可以减小环焊区域的压力。·减小填角焊尺寸增加放射和环压力，但纵向压力依然保持。最近，Gordon和Collaborators[10]开发了巨大的数值方式程序分析了不同几何尺寸变量包括环形焊接修复的影响和发展了决定它们服役的合理的中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译4进程。分析的几何变量有管的厚度（t1）。套管的厚度（t2）和长度（L1）和套管与管道的间隙。直到现在，当发现管道周边焊缝区出现厚度减小时，一个或多个附加套管可以被替换，直到第二种材料可利用。这种方法包含着危险。套管串联地增加了压力，特别是在套管纵向方位处，内部破裂增加管线增压事件爆炸的危险[11]。本研究的目的是通过数值模拟环境控制剩余管壁最小所需厚度，目的是避免在套管焊到管道时发生烧穿，确定由于管道腐蚀减薄区域的可焊性，和确保在套管被焊时所能承受的最大压力条件，结合前期修复过程压力穿透实验，是乐观地评估管道焊接条件。2.实验和数值条件在周边套管焊到管道上的过程中出现管道穿孔率取决于被焊管道壁厚和焊接过程熔池深度。焊接深度取决于焊接热输入，热扩散沿着管道和套管，扩散通过内部气体（天然气）和周边管道（空气）。扩散的持续时间取决于温度和流动参数，压力和流速。可控制的参数是气体流速。这一流动大致持续介于气泵站间，然而气压下降由于摩擦丢失。最不适合的压力和流速联合被立即发现于气泵站后阶段。在本研究中，流动条件用典型的气管线评估。流动和压力条件在此研究中为102.77立方米每秒于5.88MPa下，这个大概与手工操作管线压力（OP）一致，72.22立方米每秒于4.70MPa下和13.88立方米每秒于3.53MPa（60%OP）下。流速确定于手工条件，15℃和0.101MPa（1atm）。管道估值为一个API5LX52，[12]0.61m(24″)直径，7.1mm名义厚度，估计为中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译5一个OP=6MPa。气体温度是50℃运输气体为90%甲烷，6%乙烷和剩余4%丙烷、CO2和N2及其它气体。在此研究中所有的焊接参数（电流、电压和焊速）是：120A,22V和10cm/min，热输入为1.6KJ/mm。Battelle先前的工作和其他研究者的结果表明如果内部界面温度不超过982℃管道不会发生穿孔[13]。由Edison焊接协会作的其它研究表明3.2mm直径的电极在110A和热输入为0.9KJ/mm，最小可焊厚度为4mm。为了确定气管线内壁的温度分布，以不同的气体流速和管厚相匹配，用有限的元素方法他们研究发展了一系列三维模式。对每一个流速条件，在管道内壁表面温度低于982℃下时需考虑最小厚度。流动气体的焊接参数和热性能已被确定。现在要分析的变量时流动参数（压力和流速）；焊接区的修复装置和特别是修复实施的压力。Battelle的982℃温度限制取决于实验观察，穿孔处发生在管道内部表面温度达到1260℃处。与所介绍的最小安全温度278℃不同[14]。虽然Battelle的观测已由实验证实，但它仍然是有争议的。其观测是建立在轴线中心热流动模型，忽略了热流动在焊接时的扩散[15]。在焊工领域一个直觉的观念是通过减小电弧气体燃烧产生的危险，压力须减小。然而，在有气体流动或低流动条件下已经观测出管道内壁界面的温度稍有不同[13]。虽然减小压力作为一个强制的安全措施，目的是防止管道在修复过程发生爆炸，但是气压随烧穿的发生起很小作用。因为被加热界面很小，管线压力是分布在被加热区周围，同样出现在一些小的腐蚀处周围。先前的研究表明减压会导致在管道内壁界面温度的升高，结果出现烧穿的危中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译6险性更高[13,16]。3温度分布模型对不同气体流速条件下全部厚度温度模型已被做出。焊接过程中界面压力Q分布对高热量采用很重要。此过程中包括低能量密度，热源为材料界面直接应用[17]，热流动q(x,y)分布的性能应用于一个小区域。热扩散包括热传导性、辐射率和材料焊接时与环境的传递。热输入的应用取决于焊接热输入（包括电压、电流和焊速），典型的热分布和焊接过程热转化率介于0.66和0.85SMAW焊中[17]。2/3一连串的周边填角焊修复包括稀释母材管道材料。为了简化模型，官道上连串的焊接模型没有袖套套管，只是平板串焊接。7.1mm厚的套管提供了热扩散，部分结合了焊接效率，这是对温度模型的校正。对高压下在隔离的长管道中的气体流动是恒定的[15]。气体流动的条件和性能的确定取决于接下来的假设[18]:恒温流动，系统中没有机械方面的工作；此时间内流速恒定，流速由此部位速度重设；应用法定最良好的气体，长管道摩擦力恒定；管道放置为直的和水平的。正常压力和温度条件下气体流速为每立方米每小时。雷诺数为：Re=E×432qnsg/du其中qn为气体流速，sg为相对密度，d为管径（mm）和u为绝对力学粘性系数。流动率因子E由实验确定，一般操作条件假定为0.92[15]。热转化系数h由Nusselt数确定，采用雷诺数和Prandtl数以及扩散系数确定气体流动条件为100,80和60%OP[14]。h的数值如表1.保守条件各系数已确定。剩中国石油大学（华东）本科毕业论文外文翻译7余的空气热转化系数条件确定为0.1MPa和27℃。这样,Nusselt数15.2和自由转送的热转化系数13.32W/㎡也被确定。为确定不同管线气体流动和管壁厚度组合的温度扩散，焊接过程中三维有限元素数值模型也被确定出[19,20]。焊接过程的热模型是焊接串移动的热源，长管线外部界面处的热扩散由内部气体（天然气）想外部（空气）传送。分布在长管线周围的热交换的作用被认为是选择足够大的模型尺寸以致焊接热不能超出模型极限。对称沿着焊接串也确定。网孔由三维八节点直线和六节点元素确定，总共有6100单元和5400节点。要素为焊接区中心周围处，为了计算模型最高温度的变化梯度，焊接过程采用增量技术，在沿着焊接串分离的地方记录热源。模型中心网孔处和远离边界的散热推进