Influence of operation condition on in-service welding temperature field of X80 natural gas pipeline
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摘要: 为研究天然气输送工况参数对X80天然气输送管道在役焊接热影响区温度场的影响规律，以直径1 422 mm、壁厚25.7 mm的X80天然气管道为研究对象，采用有限元方法对其在役焊接过程温度场进行数值模拟。结果表明：在役焊接时，热影响区温度由800 ℃降至500 ℃的过程（所需时间为t8/5）出现在焊接阶段的前20 s，深度范围为10 mm以内；天然气输送温度对管道温度场的影响最大，当输送温度低于10 ℃时，t8/5随着输送温度下降而急剧减小，输送温度为-50 ℃时，t8/5低至2.5 s；输送压力和流速对t8/5影响较小，随着输送压力和流速的增加，t8/5缓慢减小。当输送温度低于10 ℃、流速高于10 m/s、输送压力大于10 MPa时，热影响区和焊缝处产生冷裂纹的风险较大。研究成果可为现场施工单位调控X80管道在役焊接的输送工况和焊接工艺等参数提供理论依据，有助于保障X80管道在役焊接的安全。Abstract: In order to study the influence law of natural gas transportation parameters on temperature field in the heat affected zone of in-service welding in X80 natural gas pipeline, the X80 natural gas pipeline with a diameter of 1 422 mm and a wall thickness of 25.7 mm was studied and the temperature field during its in-service welding was numerically simulated with the finite element method. The results show that the process of temperature drop from 800 ℃ to 500 ℃ in the heat affected area (with the time required expressed as t8/5) appears within the depth of 10 mm in the first 20 s of in-service welding. Besides, the natural gas transportation temperature has the greatest impact on the temperature field of pipeline. When the transportation temperature is less than 10 ℃, t8/5 decreases sharply as the temperature drops, and it is as low as 2.5 s when the transportation temperature is -50 ℃. Further, the transportation pressure and flow rate of natural gas have little effect on t8/5, and t8/5 decreases slowly with the increasing of transportation pressure and flow rate of natural gas. When the transportation temperature is less than 10 ℃, the flow rate is greater than 10 m/s, and the pressure is higher than 10 MPa, the heat affected zone and the welds are at a high risk of cold cracks. The research results could provide a theoretical basis for the on-site construction organizations to control the parameters such as the transportation conditions and welding technology for in-service welding of X80 pipeline, which is helpful to ensure the safe operation of in-service welding of X80 pipeline.
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中国进口天然气的80%来源于中亚地区[1]，管道输送距离远且多处于高寒地带，恶劣的环境条件为管道运行维护带来了严峻挑战。为提高管道强度、节约建设成本、保证输送安全，此类输气管道多采用X80高强度钢[2]。在役焊接修补技术是在不停输的情况下带压修复管道的技术[3]。在役焊接过程中，管道内流动的天然气与管道内壁面发生强烈的热交换，导致热影响区冷却速度急剧加快，而热影响区冷却速度是冷裂纹形成的主要致因。热影响区冷裂纹的敏感性随冷却速度增加而增大，冷裂纹的产生可导致管道发生泄漏甚至爆炸[4]。
天然气输送压力、流速、温度等运行参数直接影响管道在役焊接热影响区的冷却速度，通过调控运行参数，可以降低焊接裂纹产生的几率。Cisilino等[5]采用有限元方法对X52天然气管道在役焊接温度场分布进行模拟，指出管道内介质流速增大将导致管道内壁与天然气传热系数增大，在保持焊接热输入不变的条件下，管道内壁峰值温度将降低。Bang等[6]采用二维有限元模型分析了管径762 mm的X65输气管道在役焊接温度场分布情况。Huda等[7]研究了不同冷却环境对X80管线钢临界粗晶区组织性能的影响，指出在水冷和空冷条件下，冷却速率的增加抑制了碳的扩散，促进了临界粗晶区M/A组元形成。赵红波等[8]采用试验模拟方法探索不同热输入量对X80管线钢粗晶热影响区的影响，指出当热输入量小于25 kJ/mm时，粗晶区组织以板条状贝氏体为主，冲击韧性最佳，但硬度较高。
现有研究多涉及管道壁厚、焊接工艺参数、单一输送工况参数等对各种材料管道在役焊接温度场的影响[9-11]，对于复数项输送工况参数对大管径、大壁厚X80管道在役焊接温度场和t8/5（热影响区温度由800 ℃降至500 ℃所需时间）的影响尚缺乏深入细致的分析。为掌握X80天然气管道在役焊接热影响区温度场变化规律，基于有限元数值模拟方法，讨论在役焊接温度场特征，并重点分析天然气流速、压力、温度对X80管道在役焊接管道热影响区t8/5的影响规律，以期为降低冷裂纹发生几率、保障X80管道在役焊接作业安全提供指导。
1. 模型建立
1.1 在役焊接模型
以外径1 422 mm、壁厚25.7 mm的X80管道作为研究对象，在ANSYS中建立有限元模型（图 1）。根据GB/T 28055—2011《钢制管道带压封堵技术规范》，从管道周向12点钟位置开始，沿顺时针方向进行焊接（表 1）。模型采用Mosaic网格划分技术，以六面体网格为核心划分多面体网格，此方法可得到数量更少、质量更好的单元格，计算所需内存减少1/3，并可提高模拟精确度。焊缝和管道热影响区是重点研究对象，因此对该区域网格进行加密。
表 1 X80管道在役焊接工艺参数表焊道类型 焊丝直径/mm 焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度/（cm·min-1） 打底 3.2 120~135 24~26 10~12 建立热源模型（图 2），计算时，采用ANSYS软件的UDF函数编写功能实现热源动态加载。每个载荷步内，以热源中心点（a，b）为中心，根据其变化规律将热源加载至焊缝上表面。在焊接过程中，b由焊缝位置决定，对于每道焊缝均有一个相应的恒定值[12]。a则由时间和焊道位置共同决定，以便在实现热源运动的同时获得精确的温度场分布情况。根据模型特点，a值的计算公式为：
a=rcos(π−vwt/r) (1) 式中：r为焊缝上表面半径，cm；vw为焊接速度，cm/min；t为时间，s。
体生热率公式[13]为：
QGEN=UIη/V0 (2) 式中：QGEN为体生热率，J/m3；U为电弧电压，V；I为焊接电流，A；η为热效率，通常取0.80~0.90；V0为生热单元的体积，m3。
1.2 材料参数
管道材料为国产X80高强度管线钢（表 2），焊接过程中的热传导是复杂的非线性关系，为保证计算结果的准确性，在计算过程中考虑材料物理性能参数随温度的变化（图 3），部分高温数据通过外推法和插值法获得。
表 2 X80钢化学成分表（质量分数）C Mn Cr Si S P 0.061% 1.69% 0.309% 0.199% 0.004% 0.008% 1.3 边界条件
在仿真计算之前，需要设定管道进出口边界条件和壁面边界条件。根据X80管道在役焊接的工作条件，选择标准k-ε湍流模型进行仿真计算。首先计算管道内天然气流体的湍流强度：
iT=0.16Re−1/8 (3) 式中：iT为湍流强度；Re为雷诺数。
雷诺数的计算公式为：
Re=ρvL/μ (4) 式中：ρ为流体的密度，kg/m3；μ为动力黏度，Pa·s；v为流场特征速度，m/s；L为流场特征长度，m。
计算通过圆形和非圆形管道的流量，以判定流动状态(即雷诺数)。在圆形管道的情况下，特征长度是管道直径；在非圆管的情况下，其水力直径Dh为：
Dh=4A/C (5) 式中：A为管道的截面积，m2；C为管道的润湿周长，m。
由式（3）得到X80管道内天然气流体的湍流强度为5%，X80管道的进口边界采用速度入口边界，假设入口速度为均匀分布；出口边界采用压力出口边界，以管道出口的平均压力为工作压力。入口、出口边界的湍流强度为5%，水力直径为1.422 m。管道壁面边界采用无滑移的静壁面，设置外壁面的环境温度为300 K，内壁面直接与流动界面接触，内壁面的温度即为流体介质温度。
2. 温度场分布
在管道外壁面焊接热影响区沿焊缝顺时针方向和壁厚方向选取观测点（图 4），用于分析焊接热量沿管体横截面周向路径和径向路径的温度变化特征。
2.1 管道外壁面周向温度场
采用ANSYS Fluent软件模拟直径1 422 mm X80管道在役焊接加热和冷却过程，参考文献[14]，设置预热焊接仿真工况为天然气温度25 ℃、流速12 m/s、压力10 MPa，得到不同时刻管道外壁面周向温度场分布（图 5）。起焊时，由于热源的施加，出现一个稳定的温度核心区，中心温度高达2 644 K，温度梯度随与热源中心距离的增加而递减。随着焊接进行，管道外壁面温度场达到准稳态阶段（管道外壁面最高温度及热源运动产生的温度余热尾迹长度不变），之后热源核心区持续运动，以相似的形态随焊接位置持续移动，直至焊接结束。由观测点A、B处温度随时间变化曲线（图 6）可见，焊接过程中管体冷却速度小于加热速度；沿焊接移动方向，后方位置对前方位置有缓冷作用，移动速度越慢，缓冷效果越好；移动的热源对其运动轨迹前方即将焊接的位置存在预热作用。
2.2 管道壁间径向温度场
使用与2.1节相同的仿真方法和参数设置，获取管道壁间径向温度场（图 7）。起焊时，温度达2 644 K，为整个观测时段的最高值，此时热量沿壁面向下传递了约6 mm（2/7管道壁厚）；t=10 s时，核心区温度下降了约1 000 K，此时已有少量热量传递到内壁面；随着时间的推移，管道外壁面的温度持续下降，越来越多的热量通过辐射换热沿管体传递到管道内壁面，t=30 s时，外壁面最高温度已经下降到512 K，相比于起焊时刻的最高温度降低了2 132 K，并对内壁面造成了大于20 K的温度影响。
提取沿观测点A径向的温度分布特征，绘制不同时刻管道壁间温度沿管道壁厚分布曲线（图 8）。在焊接过程中，管道外壁面温度远高于内壁面温度；内壁面最高温度为48 ℃，天然气的输送温度为27 ℃，低于100 ℃的管体厚度约为20.7 mm，为管道内壁与距管外壁5 mm处之间的部分，说明管道内壁与天然气之间存在一定的热量交换，但最高温度远小于982 ℃，没有烧穿危险；焊接热影响区温度由800 ℃降至500 ℃的过程发生在焊接过程前20 s，涉及深度范围约10 mm。
3. 运行参数对焊接温度场的影响
受环境温度及管输天然气压力、流速等因素的影响，X80天然气管道在役焊接时的温度场和冷却速度将发生变化。采用前述管道模型，沿管道周向及径向路径进行温度观测，对比分析管道运行参数对焊接温度场的影响。
3.1 天然气输送压力
在焊接参数相同的情况下，固定天然气输送温度25℃、流速8 m/s，沿A点径向方向测量不同输送压力作用下，直径1 422 mm X80管道在役与非在役焊接温度场的分布（图 9）。天然气输送压力对径向路径上4个观测点温度的影响规律相似：随着压力升高，观测点的最高温度缓慢降低，最大降幅为90 K。同一观测点非在役焊接时的温度均高于在役焊接，A点温差最大，为550 K。天然气输送压力越低，其与管道内壁的热交换越少，对温度场的影响越小。总体上，天然气输送压力对管道内壁的温度影响较小，对焊接整体温度场的影响较弱。
分别提取不同天然气输送压力下的t8/5值（表 3），可见非在役焊接时，t8/5最大，为6.5 s；在役焊接时，随着天然气输送压力的增大，各观测点的冷却速度变快，t8/5不断减小。当t8/5为6~15 s时，钢的组织以贝氏体为主，M/A组元岛状物含量较少，且呈块状弥散分布在基体上，使粗晶区具有良好的韧性；当t8/5 < 6 s时，粗晶区组织中出现了针状马氏体；当t8/5=4 s时，M/A组元呈长条状，更易诱发裂纹形成，导致粗晶区韧性降低（图 10）[15-18]。为避免和减少焊接应力，降低焊后不良组织产生的可能性，较合适的在役焊接天然气输送压力宜小于等于8 MPa。
表 3 不同天然气输送压力下管道t8/5模拟结果表天然气输送压力/MPa t8/5/s 6 6.0 8 5.8 10 5.5 12 4.9 非在役焊接 6.5 3.2 天然气流速
采用相同焊接参数，固定天然气输送压力为3.1节得出的在役焊接合理输送压力的上限8 MPa，沿A点径向方向测量不同天然气流速对1 422 mm X80管道在役/非在役焊接温度场的影响（图 11）。天然气流速对径向路径上4个观测点的温度影响规律相似：随流速加快，观测点的最高温度缓慢降低。在各流速条件下，同一观测点非在役焊接温度均高于在役焊接，A点温差最大，最高温差为650 ℃，说明天然气流速越慢，与管道内壁的热交换越少，对温度场的影响越小。总体上，天然气流速对管道内壁的温度影响较小，对焊接温度场的影响整体较弱。
分别提取不同天然气流速下的t8/5（表 4），可见非在役焊接时的t8/5最大，为6.5 s；在役焊接时，随着天然气流速增大，各观测点的冷却速度加快，t8/5不断减小；由3.1节可知，当t8/5为6~15 s时，焊后组织性能较好，冲击吸收能量较高。因此，为避免和减少焊接应力，减小焊后不良组织产生的可能性，在役焊接时的天然气流速宜小于等于8 m/s。
表 4 不同天然气流速下管道t8/5模拟结果表天然气流速/(m·s-1) t8/5/s 8 6.0 12 5.0 16 4.5 20 4.3 非在役焊接 6.5 3.3 天然气输送温度
采用相同焊接参数，固定天然气压力和流速为3.1节、3.2节得到的合理上限值，分别为8 MPa和8 m/s，沿A点径向方向测量，获得不同输送温度下1 422 mm X80管道在役焊接温度场的分布（图 12）。天然气输送温度对径向路径上4个观测点温度的影响规律相似：输送温度越高，管道焊缝及热影响区各观测点的温度越高，最高温差200 ℃，天然气输送温度越低，天然气与管壁之间的热交换越剧烈，被带走的焊接热量也越多，相比输送压力和流速，天然气输送温度对管道内壁温度的影响更大。在所设工况下，观测点最高温度从57 ℃下降至-28 ℃，可见天然气输送温度对焊接温度场整体影响十分有限。
提取不同天然气输送温度下的t8/5值（表 5），可见随着温度的升高，管道各观测点的冷却速度变慢，t8/5不断增大；当天然气输送温度为50 ℃时t8/5最大，为6.3 s；当天然气输送温度为-50 ℃时t8/5最小，为2.5 s，减小了约60%，此时M/A组元呈长条状，更易诱发裂纹形成，导致粗晶区韧性降低。为避免和减少焊接应力的产生，减小焊后不良组织产生的可能性，在役焊接时，天然气输送温度宜大于等于25 ℃。
表 5 不同天然气输送温度下管道t8/5模拟结果表天然气输送温度/℃ t8/5/s -50 2.5 -25 4.3 0 5.0 25 6.1 50 6.3 3.4 复合工况
为研究各运行参数对在役焊接温度场的综合影响，通过查阅相关文献和技术手册[15]，设置天然气输送压力为6~12 MPa，间隔2 MPa取值；天然气流速为6~14 m/s，间隔2 m/s取值；天然气输送温度为-10~25 ℃，间隔5 ℃取值。将上述工况参数排列组合，获得复合工况，分析天然气输送工况对在役焊接温度场的影响（图 13）。在役焊接管道热影响区的冷却速度主要受传热系数影响：当天然气输送压力与流速较大、输送温度较低时，天然气带走热量的能力增强，传热系数增大，冷却速度加快，t8/5随之减小。但由于直径1 422 mm X80管道的壁厚较厚，达25.7 mm，焊接热量大部分被管道本体吸收，总体上，天然气输送压力和流速对温度场的影响较弱。在天然气输送压力由6 MPa上升至12 MPa、天然气流速由6 m/s上升至14 m/s的条件下，t8/5值分别下降了8%、17%；相比天然气输送压力和流速，天然气输送温度对焊接温度场的影响较大，当天然气输送温度从25 ℃下降至-10 ℃时，天然气的传热能力急剧上升，温度场的冷却速度显著加大，t8/5下降了34%。
当t8/5小于6 s时，焊接后材料产生较大焊接残余应力及不良焊后组织的可能性较大，统计无预热、无缓冷情况下，X80管道在役焊接t8/5值大于等于6 s的工况（表 6），建议当天然气输送工况参数超出表 6所列工况范围时，应尽量下调天然气输送工况参数，并采取焊前预热或焊后缓冷等措施，以提高管道在役焊接的可靠性。
表 6 X80管道在役焊接t8/5≥6 s工况统计表天然气输送压力/MPa 天然气流速/（m·s-1） 最低输送温度/℃ 6 6 10 8 13 10 15 12 20 8 6 10 8 15 10 25 10 6 25 8 20 12 6 20 4. 结论
（1）直径1 422 mm X80管道在役焊接过程中，由于管道壁厚较大，管道内壁温升较小，最高温度仅为66.4 ℃，远小于982 ℃，没有烧穿风险。
（2）管道壁间温度随与外壁面距离的增大而降低，焊接热影响区温度由800 ℃降至500 ℃的过程发生于焊接过程中的前20 s，涉及深度范围为10 mm以内。
（3）在役焊接时，天然气流体与管道内壁之间存在强烈的热交换，天然气输送的压力、流速、温度均对管道热影响区温度存在影响，最高温度均低于管道非在役焊接时的温度，最大温差达650 ℃。
（4）随着天然气流速和输送压力的增加、输送温度的降低，焊接热影响区温度由800 ℃降至500 ℃时间t8/5逐渐减小，其中输送温度对t8/5的影响最大，当输送温度为-50 ℃时，t8/5低至2.5 s，极易诱发裂纹形成。在役焊接过程中，当天然气输送温度低于10 ℃、流速大于10 m/s时，应适当降低天然气输送压力、流速或采取焊前预热、焊后缓冷等措施，以降低管道焊后产生较大残余应力的可能性。
（5）随着中国大口径、高压力、高钢级油气管道陆续服役，管道焊接量陡升，焊接作业时间长，质量控制难度大，自动化修复及配套技术研发刚刚起步。今后可开展B型套筒角焊缝服役可靠性与无损检测技术研究，形成B型套筒角焊缝无损检测工艺和标准，建立在役管道施焊压力综合评判方法，进一步提升油气管道在役焊接修复施工质量，完善在役管道自动焊机修复工艺。
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表 6 X80管道在役焊接t8/5≥6 s工况统计表
天然气输送压力/MPa 天然气流速/（m·s-1） 最低输送温度/℃ 6 6 10 8 13 10 15 12 20 8 6 10 8 15 10 25 10 6 25 8 20 12 6 20 
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表 6 X80管道在役焊接t8/5≥6 s工况统计表
天然气输送压力/MPa 天然气流速/（m·s-1） 最低输送温度/℃ 6 6 10 8 13 10 15 12 20 8 6 10 8 15 10 25 10 6 25 8 20 12 6 20
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