基于正交试验设计的高温管道焊接工艺优化

贾 宁

（兰州石化职业技术学院，兰州 730060）

基于正交试验设计的高温管道焊接工艺优化

贾 宁

（兰州石化职业技术学院，兰州 730060）

为了实现对管道变形问题的有效处理，本文从正交试验设计角度入手，对高温管道焊接工艺展开深层次分析，并阐述管道焊接应力分布状况，从而提升整体高温管道焊接效果。

正交试验设计 高温管道 优化

1 正交试验设计

1.1 焊接工艺参数的确定

在高温管道焊接工艺正交试验设计过程中，工艺参数的确定起着至关重要的影响作用。为此，在本次正交试验方案设计过程中，为了保障试验结果的精准性，将P91钢种作为主蒸汽管道，同时注重将实验环境温度控制在545℃，并保持介质压力为15MPa。而在焊接工艺中，1-2焊道采取GTAW焊接方式，同时焊接电流为140A、电弧电压12V、焊接速度50mm/min、坡口间隙2mm。在3-14焊道焊接过程中，为了满足正交试验要求，采取SMAW焊接方法，且设定焊接电流130A、电弧电压130V、焊接速度130mm/min、坡口间隙2mm。即在正交试验活动开展过程中，为了保障试验结果的精准性，将坡口间隙、焊接速度、电弧电压、焊接电流等四个因素作为工艺参数，同时选用L9（34）正交表，从而实现对实验过程中四个因素的检测，并将模拟试验次数设定为9次，就此满足实验要求，达到最佳的实验状态。此外，在本次正交试验活动开展过程中，基于工艺参数确定的基础上，将参数因素水平设定为1、2、3三个水平，继而达到最佳的焊接工艺试验状态，满足试验要求。

1.2 有限元模型

基于有限元模型建构的基础上，为了满足试验研究条件，在本次正交试验研究活动开展过程中将P91高温主蒸汽管道焊丝设定为MTS-3，而焊条为Chromo，同时划分为14道，且注重将规格为Ф333mm×30mmP31置入到200～250℃工艺环境下，同时保障试验对象呈现轴对称性，以满足试验条件。同时，在正交试验方案实施过程中，为了精准化试验结果，结合P91轴对称性，采取了DCAX4单元计算方法。而在残余等参数计算过程中，采用CAX4计算方式，并设定有限元网格，继而将试验计算结果以直观化形式呈现出来，达到最佳的有限元模型建构状态。此外，由于在正交试验活动开展过程中，材料性能的设定关系着有限元模型建构效果。为此，基于本次试验对象为P91的基础上，将材料热物理性能设定为1500℃，同时注重分析PM的ReLPM，即屈服强度等，并对比热容、导热系数等材料性能进行设定。另外，本次正交试验活动在开展过程中，亦将弹性模量设定为E，导热系数设定λ、比热容为c、泊松比为μ、线膨胀系数为αl，且以折线图形式对参数关系进行反馈，横坐标为温度T/℃，纵坐标为材料性能参数，如比热容、导热系数等，就此满足正交试验需求。

1.3 边界条件

边界条件：q=ηUI/Av，即通过热流密度公式对焊接热原模型数据进行反馈，同时注重在焊接工艺内生热原模拟过程中为了精准化试验结果，将时间步的增加设定为模型参考依据，最终以电流有效功率除以作用单元体积的方式对内生热率进行表示。同时，在公式应用过程中，为了直观反馈数值模拟结果，将η、U、I、A、v的分别设定为0.8、电弧电压、焊接电流、焊缝截面积、焊接速度。且在焊接工艺活动开展过程中，将工艺初始温度控制在20℃，而对流系数为12W/（m2·K），辐射发射率0.8，即精准设定焊接工艺边界条件，满足正交试验开展需求，达到最佳的试验状态，规避参数混乱等现象的凸显。

2 正交试验结果分析

2.1 正交试验计算

在正交试验活动开展过程中，为了强化试验结果应用价值，本次实验活动从极差分析方法层面入手，对试验结果进行了系统化计算，即设定R为极差R值，通过公式：Kij=Tij/r、Rj=Kij（max）-Kij（min），寻求焊接工艺影响因素中最优组合。同时，公式中i、j、Kij分别表示水平数、列数、试验次数等，而Tij为试验正交表中第j列第i水平试验结果，最终实现对试验结果的计算，确定焊接工艺中焊接速度、电弧电压、焊接电流、坡口间隙等最优状态，达到最佳的工艺施工效果。从以上的分析中即可看出，在焊接工艺正交试验活动开展过程中，正交试验计算环节的开展非常必要，为此应提高对其的重视程度。

2.2 正交试验结果

本次正交试验结果主要体现在以下几个方面。

第一，从极差分析结果角度来看，4种因素对焊接残余应力的影响结果为焊接速度＞电弧电压＞焊接电流＞坡口间隙。同时，当焊接速度为150mm/min，焊接电流为140A、坡口间隙为4mm、电弧电压为20V时，处在最佳的高温管道焊接工艺状态。为此，当代管道焊接工艺活动在开展过程中应提高对此问题的重视程度，并注重对焊接速度等进行有效调节，达到最佳的工艺加工状态。

第二，从残余应力角度来看，当焊接速度为150mm/min，焊接电流为140A、坡口间隙为4mm、电弧电压为20V时，残余应力值达到了436MPa，即工艺水平较高。为此，在管道焊接残余应力分布过程中，应结合正交试验结果对影响因素进行控制，继而达到最佳的焊接工艺状态，以迎合当代社会发展中高温管道焊接要求，规避管道变形、断裂等问题的凸显，达到高效率高温管道使用状态，提升整体管道焊接作业效果。

3 正交试验结论

从L9(34)正交试验过程来看，在正交试验活动开展过程中，应注重强调对数值模拟方法与正交试验设计方法的应用。同时，在试验研究过程中，应注重从极差分析角度出发，确定最优焊接工艺参数，就此引导焊接工作人员在实际工作开展过程中对焊接速度、焊接残余应力、电弧电压、焊接电流等工艺影响因素进行严格把控，达到高效率工艺施工作业状态。从正交试验结果来看，在SMAW焊接工艺开展过程中，为了达到高质量作业状态，应保障焊接速度为150mm/min，而坡口间隙为4mm，且针对焊接材料性能进行检测，即保障焊接材料物理性能处在3000℃状态下，而母材屈服强度需满足工艺生产作业需求，就此达到最佳的焊接效果。此外，在高温管道焊接工艺开展过程中，残余应力主要分布于热影响区域及焊缝中，因而焊接人员在实际工作开展过程中必须做好热处理工作。并在高温运作环境下，调节残余应力分布状况，规避裂缝等问题的凸显，达到最佳的工艺处理效果，满足高温管道应用需求。

4 结论

综上可知，部分高温管道作业环节在开展过程中仍然存在着残余应力分布不合理等问题，诱发了管道变形、断裂等现象，威胁到了物料运送安全性。因而，在此基础上，为了打造良好的高温管道应用空间，要求相关技术人员在高温管道应用过程中应从电弧电压、坡口间隙、焊接电流、焊接速度等角度出发，对高温管道焊接工艺过程进行控制，即保障焊接工艺的合理性，从而提升高温管道整体使用性能，达到最佳的物料运送状态。

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Optimization of High Temperature Pipe Welding Process based on Orthogonal Experiment Design

JIA Ning
(Lanzhou Petrochemical College of Vocational Technology, Lanzhou 730060)

In order to achieve effective treatment of pipeline deformation problems, starting from the angle of orthogonal test design, of high-temperature pipe welding process in-depth analysis, and elaborates the pipeline welding stress distribution, so as to enhance the overall high temperature pipeline welding effect.

orthogonal experimental design, high temperature pipeline, optimization