水下焊枪微型排水罩仿真计算与优化设计

周 凯，李连波，许 威，彭 宇，武 明，陈金仪

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070） ①

水下焊接［1－3］主要用于修复水下结构物、管道等。目前水下焊接可分为湿法焊接、局部干法焊接及干法焊接。由于局部干法焊接方法高效、设备及操作简易，是目前水下焊接研究的重点方向之一。陆上用半自动焊枪无法直接在水下使用，需要对焊枪进行改造，方法是外部加微型排水罩。水下焊枪的微型排水罩主要作用是通过向排水罩内输送CO2保护气，确保焊件表面形成一定的干燥区域，从而保证焊接在CO2保护气形成的干燥环境中进行。潜水员可从排水罩顶部观察焊接过程，进行操作。由于焊材采用的是药芯焊丝，会产生焊接烟尘，如果排水罩前端的焊接烟尘回流至排水罩腔内，将会影响潜水员视线，从而影响焊接质量。因此，微型排水罩必须保证吹入的CO2保护气不会造成焊接烟尘的回流。本文重点对水下焊枪的微型排水罩进行结构设计，并利用流体力学仿真软件对容器内流场进行模拟分析，根据计算结果进行了结构优化，使其结构更好地满足工程要求。

1 设计方案

本设计的关键是选取合适的排水罩进气口位置、数量和进气角度；排水罩的外部形状并不是制约排水罩出口处气体没有回流的关键因素（经计算，方锥形内的流场趋势同回转类壳体一致），因此排水罩可依据压力容器的承压特点，采用耐压的回转类壳体。

1.1 进气口位置

水下焊枪微型排水罩进气口位置选取的不同，将对其内部流场分布产生较大影响。进口位置可选择在排水罩的上部。

1） 切向进口 当进气口为切向进入时，根据旋风分离的理论，气体将在内部的中间位置产生向上部回流的流场，其余部分向下流出排水罩，因此切向进口是不能满足要求的。

2） 径向进口 当进气口径向进入时，产生的回流比切向进口小很多，同时再通过调整进气口的个数、方位和角度来优化设计。如果是多个进气口，应尽量采用对称布置的形式。

1.2 进气口数量

单进气口通过流体力学仿真模拟，在排水罩的出口处有部分气体回流，不能满足要求。因此需要在其对称方向增加1个进气口，以防止流场内气体回流的情况。超过2个进口将增加建造费用和复杂程度，不宜采用。

1.3 进气口角度

双径向方向进气口的流场并不是最佳流场，需要在竖直面内对进气口向下有1个倾角，这样使气体在出口处更容易流出。根据钢制压力容器GB150中等面积法对开孔的要求，当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应≤2.0［4］，即进气口同水平方向的夹角应在0°～60°之间。由于设计的主要目的是保证排水罩内气体向下流动，容器内流动应尽量稳定，减少出口处扰动。同时，考虑流动与结构设计要求［5］，进气口同水平方向的最优夹角范围还应进一步优化。

1.4 设计结构

水下焊枪微型排水罩结构如图1所示，气体进口中心线距顶面20mm，入口内径10mm，入口水平向下倾角40°，入口压力0.62MPa，出口压力0.6 MPa，入口总流量25L／min。

图1 水下焊枪的微型排水罩结构

2 流场分析计算

2.1 几何模型建立及网格划分

水下焊枪微型排水罩几何模型根据其AUTOCAD图纸，在GAMBIT软件中建立三维几何模型，并做网格划分处理。为更精确地模拟气体在容器内的流动情况，本文采用三维模型。采用Tet／Hybrid四面体混合单元，单元类型TGrid［6］。三维模型网格划分如图2所示。

图2 三维模型网格划分

仿真模拟利用流体仿真计算软件FLUENT，主要设置如下：

1） 求解器 认为流场在一定时间后达到稳定，求解稳态流场。求解器采用Segregated，隐式求解［7］。

2） 流体模型 本次流体为气体，湍流流动，采用工程中比较常用的Reynolds平均法中的涡粘模型，可 选 择 Spalar-Almaras 方 程 或 k-epsilion 方程［8－9］。通过试算，Spalar-Almaras方程迭代收敛次数比k-epsilion方程少1／2，并且两者计算结果基本一致。因此计算模型选择Spalar-Almaras模型。

3） 边界条件 入口边界条件：pressure inlet；出口边界条件：pressure outlet。

2.2 仿真结果分析

采用以上仿真模型重点对排水罩内部流场进行仿真分析，分析结果如图3～5所示。图3为单入口和双入口内部流场情况，本次模型入口角度选择40°。图3可见：当选择入口夹角角度较小时，容易造成气流对冲，扰动较大；当选择入口夹角角度较大且接近60°时，相对制造难度加大，并且结构强度没有小角度的好，因此入口夹角易在30°～50°之间，本次设计选择40°。在出口段，流动已基本稳定，扰动较小。

图3 排水罩流场

图4 排水罩底部出口z方向流速

由图4a可见：排水罩底部有部分气体回流，底部z方向速度部分为正（即为向上流动），特别在x轴上靠近入口位置气体向上流动最为明显。因此不宜采用单入口进气方案，该方案不能满足设计要求。由图4b可见：底部z方向的速度皆为负值（即为向下流动），没有发生回流，且在出口段流动已经趋于稳定，符合设计要求。

图5 双入口竖直剖面流速

由图5可见：气室的上部流速要比气室的底部流速快很多。下部流体流动比较稳定，扰动较小，完全符合排水罩设计要求，因此双进气口模型满足设计要求。

3 结语

针对水下焊枪微型排水罩的设计要求，本文在充分考虑容器强度设计标准的前提下，重点对水下焊枪的微型排水罩进行了结构设计，主要包括进气口的位置、数量和进气角度的选取，并采用流体力学仿真分析的方法对不同设计参数情况下容器内流场进行了模拟分析。结果表明：水下焊枪微型排水罩宜采用双向进气口，并且进气口向下要有倾角，倾角在30°～50°之间时能够达到较好效果，满足工程需要。

［1］ 俞建荣，张奕林，蒋力培.水下焊接技术及其发展［J］.焊接技术，2001（4）：2-4.

［2］ Jyotsan Dutta Majumdar.Underwater welding present status and future scope［J］.Journal Of Naval Architecture And Marine Engineering，2006（3）：39-48.

［3］ 陈家庆，焦向东，周灿丰，等.水下破损管道维修技术及其相关问题［J］.石油矿场机械2004，33（1）：33-37.

［4］ GB 150—2011，钢制压力容器［S］.

［5］ HG／T 20583—2011，钢制化工容器结构设计规定［S］.

［6］ 韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［7］ 王瑞金.FLUENT技术基础与应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［8］ 王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［9］ 胡志坚，马青芳，邵 强.连续循环系统压力腔流场数值模拟分析［J］.石油矿场机械，2011，40（9）：13-18.