Численное исследование потоков защитного газа при подводной сварке с водяной завесой сопла

АННОТАЦИЯ

Целью работы является исследование газодинамических характеристик потоков защитного газа при подводной дуговой сварке с водяной завесой сопла на примере цилиндрического и конического газового сопла методом конечно-элементного моделирования. В основе процесса моделирования лежат геометрические конфигурации горелок, которые были использованы при проведении лабораторных исследований данного способа сварки. Моделирование выполнено с использованием секторной части геометрии в нестационарной постановке на основе уравнений SST - модели турбулентности. Представлена последовательность и методика конечно - элементного расчета. Были получены и проанализированы картины распределения скорости, объемной доли CO₂ и турбулентной кинетической энергии. Построены графики распределения вектора скорости по оси Z на поверхности свариваемой детали. По результатам моделирования было установлено, что цилиндрическая конфигурация газового сопла обеспечивает более высокую скорость течения защитного газа по поверхности свариваемой детали, что снижает вероятность попадания воды в зону локальной защиты. Коническая форма сопла способствует образованию турбулентных течений и расслоений основного потока защитного газа.

Приведена обширная библиография по тематике. Результаты исследований могут быть использованы при проектировании горелок для подводной сварки с водяной завесой сопла.

ABSTRACT

The goal of the work is to study the gas-dynamic characteristics of protective gas flow at wet arc welding with water-wall craft of a jet on the example of a cylindrical and tapered gas jet by the finite element modeling. Geometric configurations of burners used in laboratory studies of this welding method are the basis of the modeling process. Modeling is performed using a sector part of the geometry in the non-stationary position based on SST equations - a turbulence model. The sequence and the method of finite element calculations are presented. Velocity distribution patterns, the volume fraction of CO₂ and turbulent kinetic energy are obtained and analyzed. Distribution graphs of the velocity vector on Z-direction at the surface of a weldment are built. According to modeling results, it is found that a cylindrical configuration of the gas jet provides a higher flow velocity of the protective gas at the surface of a weldment that reduces the probability of water entry into the local defense area. The jet conical shape gives rise to turbulent streams and stagnations of a main flow of the protective gas.

An extensive bibliography on the subject is provided. Research results can be used in the design of burners for wet welding with the water-wall craft of a jet.

Промышленная разработка минеральных ресурсов континентального шельфа требует сооружения буровых платформ и подводных трубопроводов, а также их ремонт и обслуживание. Строительство и монтаж оборудования для добычи нефти, газа и полезных ископаемых морского дна является основным объектом эффективного применения подводной сварки. Это обусловило необходимость интенсификации исследований, проводимых в области подводной сварки металлоконструкций, работающих в морской воде на различных глубинах. В настоящее время для обеспечения безводной среды в зоне сварки применяются специальные приспособления и устройства: гипербарические и шахтные камеры, рабочие камеры (водолазный колокол) и портативные сухие боксы. Удаление воды из зоны сварки позволяет реализовывать основные способы дуговой сварки, однако применение данных технологий сопряжено со значительными временными и финансовыми затратами. Уменьшение трудоемкости и увеличение производительности может быть достигнуто за счет применения механизированной подводной сварки проволокой сплошного сечения и порошковой проволокой. Современное отечественное автоматическое и механизированное оборудование и порошковые проволоки для подводной сварки отсутствуют.

Активные работы по механизации сварочного процесса под водой начались в конце 1960-х годов. Исследовался процесс сварки проволоками сплошного сечения с различной системой легирования. Сварка выполнялась как с защитой зоны горения дуги газом, так и без защиты. Также исследовалась возможность защиты реакционной зоны с использованием, разработанных для сварки на воздухе, флюсов. Применение сплошной проволоки без защиты зоны сварки и с подачей защитных газов (аргона, углекислого газа) не обеспечило получение необходимых механических свойств  сварных соединений. Дальнейшие исследования показали, что эффективная защита зоны сварки возможна при использовании порошковых самозащитных проволок [4]. Проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона комплексные лабораторные исследования позволили разработать оригинальный состав шихты порошковой проволоки и технологию ее изготовления. В 1967 году она впервые в мире позволила выполнить подводную сварку с получением качественных сварных соединений на глубине до 20 м ряда малоуглеродистых и низколегированных сталей [3]. Технология мокрой механизированной сварки под водой самозащитными порошковыми проволоками, на момент своей разработки, была уникальна и не имела аналогов в мире. На базе работ, проведенных в области подводной сварки в защитных газах проволокой сплошного сечения, в начале 1970-х годов была разработана и запатентована горелка с водяной завесой сопла [11,8]. Она оборудована двумя концентрически расположенными соплами. Из внешнего подается вода под углом к свариваемой детали, а из внутреннего - защитный газ в зону сварки (рис. 1 а). На выходе из сопла высокоскоростной поток воды образует водяную завесу, которая обеспечивает безводную среду в зоне сварки [2]. Первоначальные лабораторные исследования данного способа сварки были проведены в Японии (Government Industrial Research Institute, Shikoku). Позднее исследования были проведены в Германии (Laboratorium für Werkstoffkunde und Schweißtechnik, Hamburg), Южной Корее и других странах [11,6,10]. Механические испытания и радиографический контроль полученных сварных швов показали, что они практически не уступают по качеству швам, выполненным в таких же условиях на суше. Твердость металла шва по Виккерсу составляла 220-240HV к 120HV основного металла, этот же материал, на таком же режиме имел 200HV при сварке на воздухе [1]. Позднее была произведена автоматическая сварка кольцевых швов труб в камере высокого давления [5].  Данная технология обеспечения локальной защиты позволяет реализовывать подводную сварку плавящимся и неплавящимся электродом, а также лазерную сварку в широком диапазоне глубин [11,7,9].

Рисунок 1. Схема горелки с водяной завесой сопла (а) и геометрические параметры (б)

Целью данной работы является исследование газодинамических характеристик процесса подводной дуговой сварки с водяной завесой сопла с цилиндрической и конической конфигурацией газового сопла методом численного моделирования.

Основными геометрическими параметрами, влияющими на работу горелки с водяной завесой сопла, являются форма внутреннего и внешнего сопел, их диаметры и толщина канала на выходе из внешнего сопла. Также на процесс сварки влияют настраиваемые параметры: скорость подачи воды и газа, зазор между наконечником сопла и свариваемой деталью [2]. Оптимальная геометрическая конфигурация газового сопла способствует наиболее эффективному использованию защитного газа и снижению его расхода, что очень важно на больших глубинах. С увеличением скорости подачи газа улучшается качество формирования сварного шва и защита зоны сварки, однако при данном способе сварки расход защитного газа может превышать 120 л/мин и его струя может значительно сжимать дугу [10]. Повышение жесткости струи газа также положительно влияет на формирование шва и напрямую зависит от формы газового сопла. При проведении лабораторных исследований данного способа сварки были использованы горелки с коническим и цилиндрическим газовым соплом [10,12]. Геометрические параметры горелок, использованные для создания CAD-модели расчетной области, представлены на рисунке 1 (б). В качестве расчетной области использовалась CAD-модель секторной части с углом 6°. Для CFD-расчета из CAD-модели расчетной области была создана сеточная модель, в которой ˃250 000 узлов и ˃1 500 000 элементов (рис. 2).

Рисунок 2. Конечно-элементная сетка

Из сеточной была создана расчетная модель путем наложения граничных условий, параметров моделируемых процессов и задания настроек решателя. В первую очередь, это набор уравнений, которые требуется решать и начальные параметры. Расчет произведен для следующих параметров: глубина - 0.5 м, объемная подача CO₂ - 60 л/мин, воды - 60 л/мин. Повышенное давление в зоне локальной защиты способствует уменьшению объема защитного газа, поэтому для сопоставления с нормальными условиями подача воды и CO₂ были заданы через массовый расход. В начальный момент времени весь объем расчетной области заполнен водой. Для обеспечения вытеснения воды из зоны локальной защиты установлено общее время моделирования процесса 1 с. Расстановка и основные значения граничных условий представлены в таблице 1. Так как горелка является цилиндрической, для корректного расчета с использованием секторной части геометрии на боковых поверхностях было задано условие симметрии. Для расчета была применена нестационарная постановка задачи, так как данный процесс не может переходить в стационарный режим [2].

Таблица 1.

Расстановка и основные значения граничных условий

Водяная завеса представляет собой плоскую кольцевую струю, которая направлена под углом к поверхности свариваемых деталей. В процессе сварки поток защитного газа направленный по нормали к поверхности свариваемых деталей растекается по ней и высвобождается в зоне ослабления пристенной струи, образованной водяной завесой. Взаимодействуя с преградой, свободная струя образует пристенную, которая растекается в радиальном направлении от оси горелки. В связи с этим для получения качественных результатов, как в ядре потока, так и вблизи стенок была использована модель турбулентности SST, так как она является комбинированной и использует k - ω модель в пристеночных областях, а k - ε модель в областях, находящихся на достаточном удалении от стенок. Процесс сходимости контролировался по значениям среднеквадратичных невязок (RMS) уравнений динамики и турбулентности.

Рисунок 3. Изолинии скоростей

Рисунок 4. Распределение вектора скорости по оси Z на отрезках LM и NO

На рисунке 3 представлены результаты моделирования скоростей. Можно заметить, что цилиндрическое сопло обеспечивает большую скорость газовых потоков на поверхности свариваемой детали. Пристенная газовая струя на поверхности детали имеет меньшую толщину и больший радиус от оси горелки. Для более детального анализа газодинамических характеристик пристенных струй были построены графики составляющей скорости на ось Z (параллельной поверхности свариваемой детали) для отрезков LM и NO. Так как ось Z направлена к оси горелки, потоки, направленные в противоположном направлении имеют отрицательное значение скорости. График отрезка NO имеет наиболее плавный характер, большее отрицательное значение скорости (более 3 м/с), и диапазон отрицательного значения скорости, который показывает радиальные течения на расстоянии до 25 мм от оси горелки. Низкое значение максимальной скорости потоков (менее 0.8 м/с) при конической конфигурации сопла говорит о больших потерях кинетический энергии струи. Это подтверждается картиной полей турбулентной кинетической энергии, представленной на рисунке 5 (б), где ее максимальное значение при конической конфигурации превышает 2.99 м²/с², а при цилиндрической не превышает 2.66 м²/с².

Рисунок 5. Объемная доля и векторы тока CO₂ (а), изолинии турбулентной кинетической энергии (б)

Анализируя направления векторов тока защитного газа и поля турбулентной кинетической энергии можно сделать вывод, что при конической конфигурации сопла поток защитного газа в большей степени подвержен расслоению и образованию турбулентных течений. Это приводит к потере кинетической энергии основного потока и ослаблению пристенной струи, которая растекается по поверхности свариваемой детали.

Из общей картины полученных результатов можно сделать вывод, что цилиндрическая конфигурация газового сопла обеспечивает лучшие газодинамические характеристики потоков защитного газа. Более мощная пристенная струя на поверхности свариваемой детали снижает вероятность попадания воды в зону локальной защиты и способствует более эффективному удалению влаги с поверхности свариваемой детали, что очень важно для данного способа сварки.