一种B型套筒焊接预热温度确定方法、系统、介质及设备与流程

一种b型套筒焊接预热温度确定方法、系统、介质及设备
技术领域
1.本发明属于天然气管网领域，尤其涉及一种b型套筒焊接预热温度确定方法、系统、介质及设备。


背景技术：

2.天然气管道是指将天然气(包括油田生产的伴生气)从开采地或处理厂输送到城市配气中心或工业企业用户的管道，又称输气管道。利用管道输送天然气，是陆地上大量输送天然气的主要方式，可省去水运或陆运的中转环节，缩短运输周期，降低运输成本，提高运输效率。当前天然气管道运输的口径不断增大，运输的能力大幅提高，管道的运距迅速增加。由于部分管道服役年限增长、腐蚀、外力干扰以及管道材料自身缺陷等诸多因素的影响，阀门失效和管道泄漏事故时有发生。
3.当前，各种全环绕套管是维修陆地管道缺陷最重要、使用最广泛的方法。通常有a型套筒和b型套筒两种类型，其中a型套筒适用于管体金属损失、电弧烧伤、管体或直焊缝上的凹陷、裂纹等缺陷的修复，不适用修复环向缺陷、泄露和会继续发展的缺陷；b型套筒适用于多类缺陷的修复，包括泄漏和环向缺陷。a型套筒和b型套筒的区别在于a型套筒末端不与管道焊接，而b型套筒末端需要与管道焊接。利用b型套筒对管道缺陷处进行补强时，套筒末端与管道焊接位置附近容易产生冷裂纹，这主要是由于天然气管道在役补强时管道内天然气带走了部分焊接的热量，加速了焊缝附近热影响区的冷却速度，产生了淬硬组织，在随后焊接热应力的作用下，热影响区发生开裂。
4.为了防止在役天然气管道b型套筒补强时热影响区位置产生冷裂纹，需要在b型套筒末端与管道焊接时进行预热处理，以延缓热影响区位置的冷却速度。而在对管道进行预热时，合适的预热温度是解决管道表面冷裂纹的关键。预热温度过低，热影响区的冷却速度过快，依然会产生冷裂纹；预热温度过高，管道表面材料的力学性能退化较多，影响天然气管道的后续使用寿命。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种b型套筒焊接预热温度确定方法、系统、介质及设备。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种b型套筒焊接预热温度确定方法，包括：
7.通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
8.获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；
9.输入预设温度至所述待使用模型，得到所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；
10.根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；
11.通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。
12.本发明的有益效果是：本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
13.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
14.进一步，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：
15.天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。
16.进一步，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：
17.将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
18.所述第一公式为：
[0019][0020]
其中，qv为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。
[0021]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种b型套筒焊接预热温度确定系统，包括：
[0022]
确定模块用于：通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0023]
构建模块用于：获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；
[0024]
输入模块用于：输入预设温度至所述待使用模型，得到所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；
[0025]
温度关系模块用于：根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；
[0026]
结果模块用于：通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。
[0027]
本发明的有益效果是：本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0028]
进一步，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：
[0029]
天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。
[0030]
进一步，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：
[0031]
将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0032]
所述第一公式为：
[0033][0034]
其中，qv为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。
[0035]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的方法。
[0036]
本发明的有益效果是：本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0037]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。
[0038]
本发明的有益效果是：本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在
役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
附图说明
[0039]
图1为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的流程示意图；
[0040]
图2为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定系统实施例提供的结构框架图；
[0041]
图3为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的x80管道的shcct展示图；
[0042]
图4为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的φ1219
×
18.4mm的x80天然气管道展示图；
[0043]
图5为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的φ1219
×
18.4mm管道haz边界与管道外表面的温度差和管道外表面温度之间的关系示意图；
[0044]
图6为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的φ1219
×
18.4mm的x80管道b型套筒补强环角接头形貌示意图；
[0045]
图7为本发明一种b型套筒焊接预热温度确定方法实施例提供的φ1016
×
14.6mm的x80管道b型套筒补强环角接头形貌示意图。
具体实施方式
[0046]
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0047]
如图1所示，一种b型套筒焊接预热温度确定方法，包括：
[0048]
通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0049]
获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；
[0050]
输入预设温度至所述待使用模型，得到所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；
[0051]
根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；
[0052]
通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。
[0053]
在一些可能的实施方式中，本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0054]
需要说明的是，下面对方案中涉及的步骤进一步展开描述，但方案中计算公式等具体确定方法可参考实施例进行理解。
[0055]
步骤1，通过绘制软件对预设天然气管道预热温度与冷裂纹敏感性关系进行处理，得到天然气管道的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的具体实现过程如下：
[0056]
天然气管道预热温度与冷裂纹敏感性关系的分析。利用jmatpro软件(即绘制软件)绘制天然气管道用金属材料的焊接连续冷却转变图(shcct图)，从图中分析该管道材料从高温冷却至室温时不产生淬硬组织的临界t
8/5
时间，进而根据t
8/5
时间与预热温度之间的关系式确定天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围。
[0057]
根据(公式1)建立t8/5时间与预热温度之间的关系：
[0058][0059]
式中，qv：手工电弧焊热输入(j/cm)；
[0060]
λ：热导率(w/(cm
·
℃))；
[0061]
t0：预热温度(℃)。
[0062]
需注意，临界t
8/5
时间既有上限又有下限，t
8/5
下限为待焊金属材料cct图中c
′f对应的时间，t
8/5
上限为待焊金属材料cct图中c
′
p
对应的时间。
[0063]
步骤2，获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型的具体实现过程如下：
[0064]
流动天然气的导热系数计算。由于天然气为混合气，需要对管道内的天然气成分及其各自含量进行测定，进而查阅相关资料获得各组成气体在不同温度下的导热系数。利用混合气体导热系数的计算公式进行天然气导热系数的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其导热系数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的导热系数也不同；
[0065]
流动天然气的黏度计算。查阅相关资料获得天然气各组成气体在不同温度下的粘度，利用混合气体黏度的计算公式进行天然气黏度的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其普朗特数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的普朗特数也不同；
[0066]
流动天然气的普朗特数计算。查阅相关资料获得天然气各组成气体在不同温度下的定压比热容，利用混合气体定压比热容的计算公式进行天然气定压比热容的计算。进而，将上面各步骤计算所得的天然气导热系数、黏度和定压比热容代入普朗特数计算公式进行天然气普朗特数的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其普朗特数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的普朗特数也不同；
[0067]
流动天然气的密度计算。查阅相关资料获得天然气各组成气体在不同温度下的密度，利用混合气体的密度计算公式进行天然气密度的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其密度也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的密度也不同；
[0068]
流动天然气的雷诺数计算。将流动天然气的流速v、管径d、密度ρ和天然气粘度μ代入雷诺数计算公式进行天然气雷诺数的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其雷诺数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的雷诺数也不同；
[0069]
流动天然气的努塞尔数计算。将天然气的雷诺数re和普朗特数pr代入努塞尔数计算公式进行天然气努塞尔数的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其努塞尔数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的努塞尔数也不同；
[0070]
流动天然气的热交换系数计算。将天然气的努塞尔数nu和导热系数λ代入热交换系数计算公式进行天然气热交换系数的计算；天然气为混合气，天然气的组份及其各组份的含量变化时，其热交换系数也变化，且同一组份和含量的天然气在不同温度、不同大气压强下的热交换系数也不同；
[0071]
补强套筒端部焊接热影响区边界的计算。根据焊接冶金学的相关理论，焊接时热影响区的温度范围在727℃～ac3之间。以727℃为热影响区的边界温度，代入公式计算补强焊接时热影响区的宽度，未考虑预热对热影响区宽度的影响，该热影响区的宽度为估计值。
[0072]
根据(公式2)计算热影响区的宽度：
[0073][0074]
式中，q为焊接线能量，j/cm；
[0075]
c为比热，j/kg
·
℃；
[0076]
ρ为密度，kg/m3；
[0077]
e为自然对数的底，其值为2.718；
[0078]
π为常数，其值为3.14；
[0079]
r为热影响区的宽度。
[0080]
步骤3，输入预设温度至所述待使用模型，得到所述待确定预热温度的在役天然气管道的焊接热影响区边界的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的在役天然气管道的材料确定的温度的具体实现过程如下：
[0081]
所述预设温度为施加到套筒与管道环角焊缝的位置的温度。
[0082]
根据在役天然气管道的规格(规格包括管道外径、壁厚与材质)在ansys workbench软件中建立其有限元分析模型，该模型需要与待补强的天然气管道以及套筒尺寸规格保持一致，考虑到大多数金属材料(特别是x80管道)在加热到400℃以上冷却至室温时，材料的强度和韧性会有较大下降。因此，在有限元模型中先选取400℃以下的两个温度点(建议用390℃和150℃)进行预热模拟，得到打底层焊接haz边界温度与管道外表面温度。有限元分析在役天然气管道预热温度场时，有限元分析的计算模型与实际管道尺寸的比例为1:1，有限元预热区域与实际预热区域的尺寸比例为1:1。有限元分析在役天然气管道预热温度场时，管道外表面的热辐射系数0.6和对流换热系数0.000005。有限元分析在役输油管道或其它流体介质管道预热温度场时，管道外表面的热辐射系数和对流换热系数需要通过实验测量或实验与有限元计算相结合的方法确定。
[0083]
步骤4，根据所述温度值建立所述待确定预热温度的在役天然气管道的焊接热影响区边界的温度关系，所述温度关系为所述温度值与管道外表面温度差之间的关系的具体实现过程如下：
[0084]
建立haz边界和管道外表面的温度差与管道外表面温度之间的关系(在or igi n软件中，将两组温度(390℃和其对应的热影响区边界温度，150℃和其对应的热影响区边界温度)进行拟合，可以得到拟合曲线或者拟合公式，这样就可以获得任意预热温度对应的热影响区边界温度值。)，根据haz边界处的温度必须在t
8/5
时间对应的预热温度范围的原则，反推得到管道预热的温度范围。
[0085]
步骤5，通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述待确定预热温度的在役天然气管道的b型套筒焊接预热温度的具体实现过程如下：
[0086]
最后，综合考虑预热温度不能超过400℃、野外施工预热的难度与成本以及根据以上理论计算的预热温度范围，以在预热温度范围内取最低预热温度的原则来确定套筒端部焊接的最终预热温度。确定套筒端部焊接最终预热温度时需要综合考虑管道预热温度对管体材料强度、韧性以及野外现场施工时难度与成本的影响。在役天然气管道预热温度时既要考虑预热温度能防止焊后冷裂纹的产生，又要考虑预热温度过高会影响管材力学性能。
[0087]
综上，本方案用于在役输油管或其它流体介质管道预热温度场时，需要根据管道内流体介质的运行状况来查找和计算流体介质的相关参数，不能套用本发明实施例中列举的参数。
[0088]
实施例1，针对的x80天然气管道进行b型套筒在役补强，管内天然气成分为97.0％的甲烷、1.5％的乙烷、0.5％的丙烷和1.0％的氮气，天然气的温度为50℃、流速为10m/s，手工电弧焊焊接电压20～26v，焊接电流90～120a，焊接速度10～16cm/min，管体预热宽度300mm，b型套筒端部焊接预热温度的确定包括以下步骤：
[0089]
第一步，x80天然气管道预热温度与冷裂纹敏感性关系的分析。利用jmatpro软件绘制x80管道的焊接连续冷却转变图(如图3所示，根据焊接连续冷却转变图中产生铁素体(ferrite)和珠光体(pearite)分别对应的时间，确定焊缝冷却时t8/5时间的上限和下限)，从图中分析x80管道从高温冷却至室温时不产生淬硬组织的临界t
8/5
时间。当实际冷却时间t
8/5
＞c
′f时，焊接热影响区熔合线附近不产生裂纹；当t
8/5
＜c
′f时，则有可能产生裂纹，因为当冷速比f曲线慢时将会产生一些先共析铁素体转变，通常不会自动开裂，且具有较好的塑性和韧性。但如果t
8/5
超过c
′
p
，冷速太慢，韧性就会降低。最佳的焊接条件应使冷却曲线落在f和p曲线之间，即t
8/5
的下限值为c
′f，上限值为c
′
p
。由图1可知，c
′f的值为3.04s，c
′
p
的值为341.4s。根据公式3计算焊接时的线能量为9.0kj/cm。
[0090][0091]
式中，η：手工电弧焊的热效率，取0.75；
[0092]
u：手工电弧焊的焊接电压；
[0093]
i：手工电弧焊的焊接电流；
[0094]
v：手工电弧焊的焊接速度。
[0095]
进而根据t
8/5
时间与预热温度之间的关系式(公式1)确定天然气管道在无输送流
体条件下的管体焊接预热温度范围在110℃～492℃。
[0096]
第二步，流动天然气的导热系数计算。根据管内天然气成分及其含量(97.0％的甲烷、1.5％的乙烷、0.5％的丙烷和1.0％的氮气)，查找相关资料获得四种气体在常压下的导热系数(w/(m
·
k))如表1所示，通过线性拟合可获得不同温度点的导热系数。
[0097]
表1气体在常压下的导热系数(w/(m
·
k))
[0098][0099]
进而利用混合气体导热系数的计算公式(公式4)进行天然气导热系数的计算，得到50℃时天然气的导热系数为0.037。
[0100][0101]
式中，yi：混合气体中i组分的摩尔分数；
[0102]
mi：混合气体中i组分的相对分子质量；
[0103]
λi：混合气体中i组分的导热系数。
[0104]
第三步，流动天然气的黏度计算。查阅相关资料获得四种气体在常压下的黏度如表2所示。
[0105]
表2气体在常压下的的黏度
[0106][0107]
进而利用混合气体黏度的计算公式(公式5)进行天然气黏度的计算，得到50℃时天然气的黏度为0.0000119pa
·
s。
[0108][0109]
式中，低压下天然气的黏度；
[0110]
μi：相同压力下i组分的黏度；
[0111]
yi：天然气中组分i的摩尔分率；
[0112]
mi：组分i的分子量。
[0113]
第四步，流动天然气的普朗特数计算。查阅相关资料获得四种气体在常压下的定压比热容如表3所示。混合气体的定压比热容可由公式6进行计算，得到50℃时天然气的定压比热容为2771.4j/kg
·
k。
[0114]
表3天然气各组分气体在给定温度下的定压比热容(j/kg
·
k)
[0115][0116]
混合气体的定压比热容可由下式进行计算：
[0117]cp
＝∑yi·cpi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式6)式中，c
p
：气体混合物的定压比热容，j/(kg
·
k)；
[0118]cpi
：组分i的定压比热容，j/(kg
·
k)。
[0119]
进而，将上面各步骤计算所得的天然气导热系数、黏度和定压比热容代入公式7进行天然气普朗特数的计算，得到50℃时天然气的普朗特数为0.602。
[0120][0121]
式中，μ：天然气的黏度；
[0122]cp
：天然气的定压比热容；
[0123]
λ：混合气体的导热系数。
[0124]
第五步，流动天然气的密度计算。查阅相关资料获得天然气各组成气体在不同温度下的密度如表4所示，利用混合气体的密度计算公式(公式8)进行混合气体天然气密度的计算，得到50℃时天然气的密度为58.219kg/m3。
[0125][0126]
式中，ρi：混合气体中各种气体的密度；
[0127]
αi：混合气体中各种气体所占有的体积分数。
[0128]
表4天然气各组分气体在给定温度下的密度(kg/m3)
[0129][0130]
第六步，流动天然气的雷诺数计算。将天然气的流速v、管径d、密度ρ和天然气粘度μ代入雷诺数计算公式(公式9)进行天然气雷诺数的计算，得到50℃时天然气的雷诺数为68292121.84。
[0131][0132]
第七步，流动天然气的努塞尔数计算。将天然气的雷诺数re和普朗特数pr代入努塞尔数计算公式(公式10)进行天然气努塞尔数的计算，得到50℃时天然气的努塞尔数为34758.263。
[0133][0134]
式中，re：混台气体的雷诺数；
[0135]
pr：混合气体的普朗特数。
[0136]
第八步，流动天然气的热交换系数计算。将天然气的努塞尔数nu和导热系数λ代入热交换系数计算公式(公式11)进行天然气热交换系数的计算，得到50℃时天然气的热交换系数为1364.222。
[0137][0138]
式中，nu：混合气体的努塞尔数；
[0139]
λ：混合气体的导热系数；
[0140]
d：混合气体的管径。
[0141]
第九步，补强套筒端部焊接热影响区边界的计算。根据焊接冶金学的相关理论，焊接时热影响区的温度范围在727℃～ac3之间。以727℃为热影响区的边界温度，代入公式2计算补强焊接时热影响区的宽度为5.0mm。
[0142]
第十步，在役天然气管道预热有限元模型的建立及温度场分析。根据在役天然气管道的规格建立其有限元分析模型如图4所示，根据第一步计算所得到的无输送流体条件下的管体焊接预热温度进行初步加载，管道外壁的热辐射系数和对流换热系数采用空气环境下管道的热辐射系数0.6和对流换热系数0.000005，管道内壁的热交换系数采用第八步计算所得的热交换系数1364.222w/(m2
·
k)，在计算模型中设置管体预热宽度300mm，预热温度分别设置为300℃和390℃，最终得到管道外表面的温度和距外表面5.0mm的热影响区
边界温度。计算haz边界与管道外表面的温度差，在or i gi n中以温度差作为纵坐标，外表面温度作为横坐标并拟合，得到了在不同天然气流动状态下haz底部与管道外表面的温度差与管道外表面温度之间的关系如图5所示(在有限元计算模型中，分别设置管道外表面预热温度为300℃和390℃，得到两个温度下外表面温度与焊接热影响区底部温度的差值，利用得到的两组数据进行拟合，绘制出如图所示的数据线。)，拟合得到的关系为y＝a+b
×
x，即，
[0143]
δt＝a+b
×
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式12)式中，δt为haz底部与管道外表面的温度差；
[0144]
t为管道外表面预热温度；
[0145]
a、b为未知值。
[0146]
另外，
[0147]
t＝δt+thꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式13)
[0148]
式中，th为haz边界的温度。
[0149]
将5.0mm处的最低预热温度th＝110℃带入公式12和公式13，可求出管道外表面的最低预热温度130℃；将5.0mm处的最高预热温度th＝492℃带入公式12和公式13，可求出管道外表面的最高预热温度562℃。由于x80管线钢被加热到400℃以上再冷却到室温后，材料的强度和韧性会显著下降。考虑到预热温度不能影响管体材料的力学性能，因此管道的加热温度在400℃以下较为适宜。综合考虑管道的预热温度既要避免焊后冷裂纹的出现，又要防止焊缝附近韧性的不足，选择预热温度在130℃～400℃之间较为适宜。同时，在野外现场施工时，预热温度越高，对预热设备功率的要求就越大，现场施工的难度和成本就越高。因此，该x80管道b型套筒端部焊接预热温度定为140℃。根据该预热温度与适当的焊接工艺进行施焊，焊后接头的宏观形貌如图6所示(所示(管道b型套筒修复环角焊缝0℃、90℃、180℃和270℃的焊接接头形貌)，接头中未见宏观焊接缺陷。
[0150]
实施例2，针对的x80天然气管道进行b型套筒在役补强，管内天然气成分为97.0％的甲烷、1.5％的乙烷、0.5％的丙烷和1.0％的氮气，天然气的温度为100℃、流速为10m/s，手工电弧焊焊接电压20～26v，焊接电流90～120a，焊接速度10～16cm/min，管体预热宽度300mm，b型套筒端部焊接预热温度的确定包括以下步骤：
[0151]
第一步，x80天然气管道预热温度与冷裂纹敏感性关系的分析。利用jmatpro软件绘制x80管道的焊接连续冷却转变图(如图3所示)，从图中可知，c
′
p
的值为3.04s，c
′f的值为341.4s。根据公式3计算焊接时的线能量为8.5kj/cm，进而根据t
8/5
时间与预热温度之间的关系式(公式1)确定天然气管道在无输送流体条件下的管体焊接预热温度范围在120℃～492℃。
[0152]
第二步，流动天然气的导热系数计算。根据管内天然气成分及其含量查找相关资料获得四种气体在常压下的导热系数(w/(m
·
k))，如表1所示，通过线性拟合可获得不同温度点的导热系数。进而利用混合气体导热系数的计算公式(公式4)进行天然气导热系数的计算，得到100℃时天然气的导热系数为0.044。
[0153]
第三步，流动天然气的黏度计算。查阅相关资料获得四种气体在常压下的黏度如
表2所示，进而利用混合气体黏度的计算公式(公式5)进行天然气黏度的计算，得到100℃时天然气的黏度为0.0000135pa
·
s。
[0154]
第四步，流动天然气的普朗特数计算。查阅相关资料获得四种气体在常压下的定压比热容如表3所示。混合气体的定压比热容可由公式6进行计算，得到100℃时天然气的定压比热容为2719.2j/kg
·
k。
[0155]
进而，将上面各步骤计算所得的天然气导热系数、黏度和定压比热容代入公式7进行天然气普朗特数的计算，得到100℃时天然气的普朗特数为0.603。
[0156]
第五步，流动天然气的密度计算。查阅相关资料获得天然气各组成气体在不同温度下的密度如表4所示，利用混合气体的密度计算公式(公式8)进行天然气密度的计算，得到100℃时天然气的密度为46.246kg/m3。
[0157]
第六步，流动天然气的雷诺数计算。将天然气的流速v、管径d、密度ρ和天然气粘度μ代入雷诺数计算公式(公式9)进行天然气雷诺数的计算，得到100℃时天然气的雷诺数为47746405.62。
[0158]
第七步，流动天然气的努塞尔数计算。将天然气的雷诺数re和普朗特数pr代入努塞尔数计算公式(公式10)进行天然气努塞尔数的计算，得到100℃时天然气的努塞尔数为26129.284。
[0159]
第八步，流动天然气的热交换系数计算。将天然气的努塞尔数nu和导热系数λ代入热交换系数计算公式(公式11)进行天然气热交换系数的计算，得到50℃时天然气的热交换系数为1140.476。
[0160]
第九步，补强套筒端部焊接热影响区边界的计算。根据焊接冶金学的相关理论，焊接时热影响区的温度范围在727℃～ac3之间。以727℃为热影响区的边界温度，代入公式2计算补强焊接时热影响区的宽度为4.8mm。
[0161]
第十步，在役天然气管道预热有限元模型的建立及温度场分析。根据在役天然气管道的规格建立其有限元分析模型，根据第一步计算所得到的无输送流体条件下的管体焊接预热温度进行初步加载，管道外壁的热辐射系数和对流换热系数采用空气环境下管道的热辐射系数0.6和对流换热系数0.000005，管道内壁的热交换系数采用第八步计算所得的热交换系数1140.476w/(m2
·
k)，在计算模型中设置管体预热宽度300mm，预热温度分别设置为300℃和390℃，最终得到管道外表面的温度和距外表面4.8mm的热影响区边缘温度。计算haz边缘与管道外表面的温度差，在origin中以温度差作为纵坐标，外表面温度作为横坐标并拟合，利用公式12和公式13得到了在不同天然气流动状态下haz底部与管道外表面的温度差与管道外表面温度之间的关系式。将4.8mm处的最低预热温度th＝120℃带入式公式12和公式13，可求出管道外表面的最低预热温度125℃；将4.8mm处的最高预热温度th＝492℃带入式公式12和公式13，可求出管道外表面的最高预热温度562℃。综合考虑管道的预热温度既要避免焊后冷裂纹的出现，又要防止焊缝附近韧性的不足，选择预热温度在125℃～400℃之间较为适宜。同时，考虑到野外现场施工的难度和成本，确定该x80管道b型套筒端部焊接预热温度定为130℃。根据该预热温度与适当的焊接工艺进行施焊，焊后接头的宏观形貌如图7所示(1016
×
14.6mm管道b型套筒修复环角焊缝0℃、90℃、180℃和270℃的焊接接头形貌)，接头中未见宏观焊接缺陷。
[0162]
优选地，在上述任意实施例中，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：
[0163]
天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。
[0164]
优选地，在上述任意实施例中，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：
[0165]
将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0166]
所述第一公式为：
[0167][0168]
其中，qv为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。
[0169]
如图2所示，一种b型套筒焊接预热温度确定系统，包括：
[0170]
确定模块100用于：通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0171]
构建模块200用于：获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；
[0172]
输入模块300用于：输入预设温度至所述待使用模型，得到所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；
[0173]
温度关系模块400用于：根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；
[0174]
结果模块500用于：通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。
[0175]
在一些可能的实施方式中，本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0176]
优选地，在上述任意实施例中，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：
[0177]
天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。
[0178]
优选地，在上述任意实施例中，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：
[0179]
将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；
[0180]
所述第一公式为：
[0181][0182]
其中，qv为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。
[0183]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的方法。
[0184]
在一些可能的实施方式中，本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0185]
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。
[0186]
在一些可能的实施方式中，本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强b型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。
[0187]
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0188]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
[0189]
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0190]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种b型套筒焊接预热温度确定方法，其特征在于，包括：通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；输入预设温度至所述待使用模型，得到待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。2.根据权利要求1所述的一种b型套筒焊接预热温度确定方法，其特征在于，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。3.根据权利要求2所述的一种b型套筒焊接预热温度确定方法，其特征在于，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；所述第一公式为：其中，q
v
为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。4.一种b型套筒焊接预热温度确定系统，其特征在于，包括：确定模块用于：通过绘制软件对预设天然气管道的预热温度与冷裂纹敏感性之间的关系进行处理，得到所述预设天然气管道在役b型套筒的材料由高温冷却至室温过程中不产生淬硬组织的时间上限以及时间下限，基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；构建模块用于：获取历史流动天然气管道的基础参数，并根据所述基础参数以及所述预设天然气管道在役b型套筒的规格构建有限元分析模型，得到待使用模型；输入模块用于：输入预设温度至所述待使用模型，得到待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值，所述预设温度为根据所述待
确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的材料的耐受度确定的温度；温度关系模块用于：根据所述温度值建立所述待确定预热温度的天然气管道在役b型套筒的焊接热影响区边界的每个预设位置的温度值与预设温度之间的的温度关系；结果模块用于：通过所述管体补强焊接预热温度范围对所述温度关系进行反推得到所述天然气管道在役b型套筒焊接预热温度。5.根据权利要求4所述的一种b型套筒焊接预热温度确定系统，其特征在于，所述历史流动天然气管道的基础参数包括：天然气的导热系数、天然气的黏度、天然气的普朗特数、天然气的密度、天然气的雷诺数、天然气的努赛尔数、天然气的热交换系数以及补强套筒端部焊接热影响区边界。6.根据权利要求4所述的一种b型套筒焊接预热温度确定系统，其特征在于，所述基于所述时间上限以及所述时间下限确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围的过程为：将所述时间上限以及所述时间下限输入至第一公式中，确定所述预设天然气管道在役b型套筒在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；所述第一公式为：其中，q
v
为手工电弧焊热输入；λ为天然气管道的热导率；t0为天然气管道在无输送流体条件下的管体补强焊接预热温度范围；t
8/5
为所述时间上限或者所述时间下限，所述手工电弧焊热输入指的是手工电弧焊的焊接电压乘以焊接电流乘以焊接效率，再除以焊接速度。7.一种存储介质，其特征在于，所述介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1至3中任一项所述的方法。8.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求7所述的存储介质、执行所述存储介质内的指令的处理器。

技术总结
本发明属于天然气管网领域，尤其涉及一种B型套筒焊接预热温度确定方法、系统、介质及设备。本发明为在役管道补强焊接的预热温度确定提供了理论基础，解决了在役管道补强焊接预热温度难以准确确定，引起接头热影响区性能劣化的问题。本发明提出的确定天然气管道在役补强B型套筒焊接预热温度计算方法可用于不同规格、不同输送介质、不同输送速度和不同输送温度的天然气管道。本发明提出的确定天然气管道在役补强B型套筒焊接预热温度计算方法不仅适用于在役天然气管道补强，还适用于在役输油管道、停输的天然气和输油管道补强。停输的天然气和输油管道补强。停输的天然气和输油管道补强。


技术研发人员：吴明畅 郭磊 王磊磊 冯庆善 戴联双 王多才 李洪烈 刘勇 毛建
受保护的技术使用者：国家石油天然气管网集团有限公司
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/8/4