相贯管端的切割研究及其焊材用量计算

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(深圳赤湾胜宝旺工程有限公司, 广东 深圳 518068)

相贯管端的切割研究及其焊材用量计算

许星，张建萍，李世森，吴振华，杨燕琴

(深圳赤湾胜宝旺工程有限公司,广东深圳518068)

导管架建造中存在着大量的管与管相贯焊接节点，而管端切割的准确性会直接影响到节点焊接的质量。为了能切割出准确的管端，该文在理论分析的基础上对以往使用的相贯线方程进行了修正，并提出了一种较易实现的计算相贯管端焊材用量的方法，用该方法编制出计算软件，将软件计算结果与实际用量进行了对比分析，结果表明该方法精确度高，为今后计算相贯管端焊材用量提供了参考。

导管架；相贯线；焊材用量；管端坡口；焊根间隙

0 引言

导管架是海洋固定平台的基础，由若干钢管焊接成主结构。在导管架建造过程中，涉及到大量的管与管相贯及焊接工作，当支管与主管相贯时，支管相贯线及坡口切割的好坏会直接影响到焊接质量。目前导管架建造公司的管端切割均采用国外先进的数控切管机，国内也正加快对数控切管机的理论研究。肖聚亮等[1]通过理论推导结合仿真计算，研究了火焰数控切管机割炬的运动轨迹；秦元飞等[2]对一种五轴数控切管机的运动控制进行了研究分析。在这些研究中，切管机割炬的运行分析都是基于管端的相贯线方程，而在实际生产过程中，根据相贯线方程切割出的管端坡口往往不准确，因为相贯管端在焊接时一般在焊接根部需要留有一定的间隙，而相贯线方程则适合管端紧密连接在一起的情形。该文将对已有相贯线方程进行修正，将焊根间隙作为一个参数加入到相贯线方程中，修正后的相贯线方程既可以指导数控切管机切割出准确的管端，也可以用来编制与数控切管机相配套的切管程序。

图1 管与管相贯模型

1 焊接管端切割的数学模型及其修正

1.1相贯线方程的数学模型

两管相贯时，支管马鞍口的形状可由管与管相贯的相贯线方程以及相贯线上每一点的切割角来唯一确定。两管相贯的模型如图1所示。

图1中：d为支管(被切管)的直径；t为支管壁厚；D为主管的直径；α为轴交角；e为两管的偏心距；θ为支管横截面上的角度增量。支管内壁与主管外壁的相贯线方程表示为[3]：

(1)

在导管架建造中，管端马鞍口的焊接形式一般为坡口焊接。相贯线上任一点坡口角的取值应根据美国石油学会(APIRP2A)和美国焊接学会(AWSD1.1)有关规范来确定。理论二面角、坡口角以及理论切割角ρ的关系为：ρ =π/2-ψ+φ。

1.2相贯线方程的修正

考虑到被切管的切割是在其支轴剖面内完成的，而理论切割面则是与相贯线垂直的平面，因此实际切割面与理论切割面并非是同一个平面，它们之间有一个偏移角，即坡口修正角w，且w=arctan[(sinθcosα-cosθtanφ)/sinα]。在实际切割面内，实际二面角、实际切割角以及实际坡口角分别为：ψ′=arctan(tanψ/cosw),ρ′=arctan(tanρ/cosw)，φ′=ψ′+ρ′-π/2 。

图2 带有焊根间隙的坡口图

另一方面，相贯线是指支管内壁与主管外壁相交的线，但实际上导管架主结构的管端焊接都要求是熔透焊，为了保证焊接质量，在焊接的根部必须保证有一定的间隙，即焊根间隙R。同样，R是在理论切割面内定义的，在实际切割面内焊根间隙R′为：R′=R/cosw，具体情形如图2所示。

数控切管机在切管时运动轨迹是依据相贯线方程来确定的。式(1)所示的相贯线方程没有考虑焊根间隙，在这种情况下，焊根间隙一般通过沿支管轴线方向移动支管来获得，图2中的值即是移动的距离。通过这种方式得到的焊根间隙为：

(2)

由于是平移，G′为常数。由上式可知，焊根间隙会随着位置变化而改变，但实际上应保证焊根间隙在任何地方都相等。为此只需将焊根间隙R视为常数，同时注意到G′的方向和支轴方向z轴一致，因此可以将相贯线方程做如下修正：

(3)

式中：G′=R/(sinψcosw)，当焊根间隙R=0时，相贯线方程回到以前的形式。

2 焊材消耗计算

2.1焊缝体积的计算

参考图1 ，在支管的横截面上将焊缝按照角度增量θ进行等分，将整个焊缝体积看成是若干个小体积的叠加。每一个小体积近似等于等分后的弧长乘以焊缝在支轴剖面上的面积。

依据AWSD1.1，不同二面角对应的焊接填充形式不一样，将法剖面上的焊接规范细节图转化到支轴剖面上，如图3所示。图3(a)、图3(b)和图3(c)中焊材实际填充区域为ABCD，由于每个区域形状都是不规则的，并且规范中也并未给出足够的能准确计算出该区域面积的数据，因此将图中填充区域进行近似替代，用区域ABCE代替ABCD。E点的选取分别按如下方式：图3(a)中取AB等于BF；图3(b)中E点是支管外壁沿支轴方向延长后与主管外壁的交点；图3(c)中取AE垂直于AB。这样选取之后，区域ABCE的面积在很大程度上能和实际面积相近，面积的计算也比较容易，将区域ABCE的面积分成S1和S2两部分。

图3 不同二面角的坡口焊缝图

对于图3(a)，即3π/4<ψ≤π时：

(4)

S2=lR′sinψ′+R′2sin2ψ′tan(φ′/2)/2

(5)

式中l为AB的长度，表示如下：

(6)

对于图3 (b)，即π/2<ψ≤3π/4时：

S1=l2sinφ′sin(ψ′-φ′)/2sinψ′

(7)

(8)

对于图3 (c)，取π/6<ψ≤π/2，此时：

(9)

(10)

若将支管横截面分成n等分，则第i个体积可以表示为：

(11)

焊缝总体积为：

(12)

根据以上分析，管与管相贯焊缝的总体积能通过许多小体积叠加得到。这些小体积的计算也根据二面角的不同而采取不同的近似公式。该文中所采取的近似公式是依据AWS焊接规范以及实际焊接情况来确定的。若焊接规范不同或者对实际焊接情况有特殊要求时，可以对计算公式做一些适当的改变和调整，一般而言，若所有二面角对应的区域面积都用式(9)、式(10)来计算，计算结果将会较大，而用式(5)、式(6)计算的结果次之，用式(7)、式(8)计算的结果较小。

2.2焊材消耗量的计算

由于马鞍口横截面的不规则性，焊接材料消耗量CX可用下面公式进行计算：

(13)

式中：CX为焊接材料；VT为焊缝体积；Kh为定额计算系数，主要考虑焊接中立焊、仰焊、横焊，以及烧损、飞溅等一些必要的焊材损耗；ρd为焊接熔敷金属的密度。

3 焊材消耗计算软件

图4 焊材消耗计算软件输入界面

为了更有效地对大量焊材消耗进行计算和统计，编写出相应的计算机软件是非常有必要的。该文利用C语言来编写软件，软件可以通过输入管端的相关参数以及焊缝的编号，输出该焊缝的体积以及填充金属质量，并将这一结果存储到指定的文件内以便于汇总。

软件的输入界面如图4所示。为了验证软件的可行性，在实际工程中选取一些相贯管端，统计每一道焊缝的实际焊材消耗量，将其和软件计算的结果进行比较。焊接方式为手工电弧焊，式(13)中的定额计算系数Kh=1.71，计算结果见表1。

从表1中可以看出，由软件计算出的焊材消耗与实际消耗相差不大，误差控制在5%以内，个别差距较大的是由工程建造中的一些误差导致，比如卷管时卷出的管会有一定的椭圆度，管与管对接时也容易产生偏差等。

表1 软件计算结果与实际消耗量比较

4 结论

为了能切割出符合实际工程的管与管相贯端部，该文将焊根间隙做为一个参数加入到相贯线方程中，为后续工程中管端部的切割以及焊接工作提供了良好的保障。此外，提出一种用于计算管与管相贯焊缝焊材用量的方法，并用语言编写出相应的软件程序，可以实现对焊材用量的快速计算。同时，将软件计算出的焊材用量与实际用量进行比较，结果表明该方法拥有较高的精度。

[1] 肖聚亮, 阎祥安, 王国栋等. 火焰数控切管机割炬轨迹研究及仿真[J]. 机械工程学报, 2005, 41(4): 234-238.

[2] 秦元飞, 李权才, 肖聚亮等. 五轴火焰数控切管机割炬位姿控制[J]. 中国机械工程, 2011, 22(8): 922-925.

[3] 王国栋，李新强，肖聚亮等. 管材相贯接头焊材用量的参数化计算[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2013, 46(3): 250-256.

CuttingResearchandWeldingMaterialDosageCalculationofIntersectingPipes

XU Xing, ZHANG Jian-ping, LI Shi-sen, WU Zhen-hua, YANG Yan-qin

(Shenzhen Chiwan Sembawang Engineering Co., Ltd, Gnangdong Shenzhen 518068，China)

Jacket construction involves numerous welding joints of intersecting pipes, as the quality of the welding joints depends on the cutting accuracy of pipe end. Revised formula of intersecting curve is built based on the theoretical analysis so as to cut more accurate pipe end. Besides, an easy method is proposed for welding consumption calculation of intersecting pipes and used for programming calculation software. The result of the software and the real consumption are compared and analyzed.

jacket； intersection line； welding consumption； pipe end groove； welding gap

2014-04-10

许 星(1987-)，男，硕士研究生。

1001-4500(2015)01-0075-04

TG441

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