周 凱，李連波，許 威，彭 宇，武 明，陳金儀

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070） ①

水下焊接［1－3］主要用于修復(fù)水下結(jié)構(gòu)物、管道等。目前水下焊接可分為濕法焊接、局部干法焊接及干法焊接。由于局部干法焊接方法高效、設(shè)備及操作簡(jiǎn)易，是目前水下焊接研究的重點(diǎn)方向之一。陸上用半自動(dòng)焊槍無(wú)法直接在水下使用，需要對(duì)焊槍進(jìn)行改造，方法是外部加微型排水罩。水下焊槍的微型排水罩主要作用是通過(guò)向排水罩內(nèi)輸送CO2保護(hù)氣，確保焊件表面形成一定的干燥區(qū)域，從而保證焊接在CO2保護(hù)氣形成的干燥環(huán)境中進(jìn)行。潛水員可從排水罩頂部觀察焊接過(guò)程，進(jìn)行操作。由于焊材采用的是藥芯焊絲，會(huì)產(chǎn)生焊接煙塵，如果排水罩前端的焊接煙塵回流至排水罩腔內(nèi)，將會(huì)影響潛水員視線，從而影響焊接質(zhì)量。因此，微型排水罩必須保證吹入的CO2保護(hù)氣不會(huì)造成焊接煙塵的回流。本文重點(diǎn)對(duì)水下焊槍的微型排水罩進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用流體力學(xué)仿真軟件對(duì)容器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)更好地滿足工程要求。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選取合適的排水罩進(jìn)氣口位置、數(shù)量和進(jìn)氣角度；排水罩的外部形狀并不是制約排水罩出口處氣體沒(méi)有回流的關(guān)鍵因素（經(jīng)計(jì)算，方錐形內(nèi)的流場(chǎng)趨勢(shì)同回轉(zhuǎn)類(lèi)殼體一致），因此排水罩可依據(jù)壓力容器的承壓特點(diǎn)，采用耐壓的回轉(zhuǎn)類(lèi)殼體。

1.1 進(jìn)氣口位置

水下焊槍微型排水罩進(jìn)氣口位置選取的不同，將對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響。進(jìn)口位置可選擇在排水罩的上部。

1） 切向進(jìn)口 當(dāng)進(jìn)氣口為切向進(jìn)入時(shí)，根據(jù)旋風(fēng)分離的理論，氣體將在內(nèi)部的中間位置產(chǎn)生向上部回流的流場(chǎng)，其余部分向下流出排水罩，因此切向進(jìn)口是不能滿足要求的。

2） 徑向進(jìn)口 當(dāng)進(jìn)氣口徑向進(jìn)入時(shí)，產(chǎn)生的回流比切向進(jìn)口小很多，同時(shí)再通過(guò)調(diào)整進(jìn)氣口的個(gè)數(shù)、方位和角度來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果是多個(gè)進(jìn)氣口，應(yīng)盡量采用對(duì)稱(chēng)布置的形式。

1.2 進(jìn)氣口數(shù)量

單進(jìn)氣口通過(guò)流體力學(xué)仿真模擬，在排水罩的出口處有部分氣體回流，不能滿足要求。因此需要在其對(duì)稱(chēng)方向增加1個(gè)進(jìn)氣口，以防止流場(chǎng)內(nèi)氣體回流的情況。超過(guò)2個(gè)進(jìn)口將增加建造費(fèi)用和復(fù)雜程度，不宜采用。

1.3 進(jìn)氣口角度

雙徑向方向進(jìn)氣口的流場(chǎng)并不是最佳流場(chǎng)，需要在豎直面內(nèi)對(duì)進(jìn)氣口向下有1個(gè)傾角，這樣使氣體在出口處更容易流出。根據(jù)鋼制壓力容器GB150中等面積法對(duì)開(kāi)孔的要求，當(dāng)在殼體上開(kāi)橢圓形或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)≤2.0［4］，即進(jìn)氣口同水平方向的夾角應(yīng)在0°～60°之間。由于設(shè)計(jì)的主要目的是保證排水罩內(nèi)氣體向下流動(dòng)，容器內(nèi)流動(dòng)應(yīng)盡量穩(wěn)定，減少出口處擾動(dòng)。同時(shí)，考慮流動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求［5］，進(jìn)氣口同水平方向的最優(yōu)夾角范圍還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化。

1.4 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

水下焊槍微型排水罩結(jié)構(gòu)如圖1所示，氣體進(jìn)口中心線距頂面20mm，入口內(nèi)徑10mm，入口水平向下傾角40°，入口壓力0.62MPa，出口壓力0.6 MPa，入口總流量25L／min。

圖1 水下焊槍的微型排水罩結(jié)構(gòu)

2 流場(chǎng)分析計(jì)算

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

水下焊槍微型排水罩幾何模型根據(jù)其AUTOCAD圖紙，在GAMBIT軟件中建立三維幾何模型，并做網(wǎng)格劃分處理。為更精確地模擬氣體在容器內(nèi)的流動(dòng)情況，本文采用三維模型。采用Tet／Hybrid四面體混合單元，單元類(lèi)型TGrid［6］。三維模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 三維模型網(wǎng)格劃分

仿真模擬利用流體仿真計(jì)算軟件FLUENT，主要設(shè)置如下：

1） 求解器 認(rèn)為流場(chǎng)在一定時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定，求解穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。求解器采用Segregated，隱式求解［7］。

2） 流體模型 本次流體為氣體，湍流流動(dòng)，采用工程中比較常用的Reynolds平均法中的渦粘模型，可 選 擇 Spalar-Almaras 方 程 或 k-epsilion 方程［8－9］。通過(guò)試算，Spalar-Almaras方程迭代收斂次數(shù)比k-epsilion方程少1／2，并且兩者計(jì)算結(jié)果基本一致。因此計(jì)算模型選擇Spalar-Almaras模型。

3） 邊界條件 入口邊界條件：pressure inlet；出口邊界條件：pressure outlet。

2.2 仿真結(jié)果分析

采用以上仿真模型重點(diǎn)對(duì)排水罩內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如圖3～5所示。圖3為單入口和雙入口內(nèi)部流場(chǎng)情況，本次模型入口角度選擇40°。圖3可見(jiàn)：當(dāng)選擇入口夾角角度較小時(shí)，容易造成氣流對(duì)沖，擾動(dòng)較大；當(dāng)選擇入口夾角角度較大且接近60°時(shí)，相對(duì)制造難度加大，并且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒(méi)有小角度的好，因此入口夾角易在30°～50°之間，本次設(shè)計(jì)選擇40°。在出口段，流動(dòng)已基本穩(wěn)定，擾動(dòng)較小。

圖3 排水罩流場(chǎng)

圖4 排水罩底部出口z方向流速

由圖4a可見(jiàn)：排水罩底部有部分氣體回流，底部z方向速度部分為正（即為向上流動(dòng)），特別在x軸上靠近入口位置氣體向上流動(dòng)最為明顯。因此不宜采用單入口進(jìn)氣方案，該方案不能滿足設(shè)計(jì)要求。由圖4b可見(jiàn)：底部z方向的速度皆為負(fù)值（即為向下流動(dòng)），沒(méi)有發(fā)生回流，且在出口段流動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 雙入口豎直剖面流速

由圖5可見(jiàn)：氣室的上部流速要比氣室的底部流速快很多。下部流體流動(dòng)比較穩(wěn)定，擾動(dòng)較小，完全符合排水罩設(shè)計(jì)要求，因此雙進(jìn)氣口模型滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水下焊槍微型排水罩的設(shè)計(jì)要求，本文在充分考慮容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，重點(diǎn)對(duì)水下焊槍的微型排水罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括進(jìn)氣口的位置、數(shù)量和進(jìn)氣角度的選取，并采用流體力學(xué)仿真分析的方法對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)情況下容器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：水下焊槍微型排水罩宜采用雙向進(jìn)氣口，并且進(jìn)氣口向下要有傾角，傾角在30°～50°之間時(shí)能夠達(dá)到較好效果，滿足工程需要。

［1］ 俞建榮，張奕林，蔣力培.水下焊接技術(shù)及其發(fā)展［J］.焊接技術(shù)，2001（4）：2-4.

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［3］ 陳家慶，焦向東，周燦豐，等.水下破損管道維修技術(shù)及其相關(guān)問(wèn)題［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械2004，33（1）：33-37.

［4］ GB 150—2011，鋼制壓力容器［S］.

［5］ HG／T 20583—2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定［S］.

［6］ 韓占忠.FLUENT流體工程仿真計(jì)算與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［7］ 王瑞金.FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［8］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［9］ 胡志堅(jiān)，馬青芳，邵 強(qiáng).連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)壓力腔流場(chǎng)數(shù)值模擬分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（9）：13-18.