计算机技术在输气管道焊接及腐蚀研究中的应用

２００４年２月河北工业大学学报Ｆｅｂｍａｒｙ２００４二茎兰鲞箜！塑１２竺坠些Ｑ！坚望！！婴些坚！坚Ｘ２１１兰竺型Ｑ兰Ｑ坐型：翌翌！：！

文章编号：１００７．２３７３（２００４）０１＿０１０岳０５

计算机技术在输气管道焊接及腐蚀研究中的应用

杨江１，耿恒山’，李云涛２

河北工业大学计算机科学与软件学院，天津３００１３０；２天津大学材料科学与工程学院，天津３０００７２）

摘要：随着计算机技术及材料学科的发展，将现代计算机技术及相关的数值模拟、信息处理、人

工智能、神经网络、实时监控、计算机仿真等用于管道铺设的焊接过程，同时应用于运营中管

道的腐蚀与防护领域已日益广泛，在众多的计算机技术应用研究方面，针对焊接工艺作为管道

铺设的重要工艺及管道运营中的腐蚀与防护，分别从焊接温度场模拟、氢扩散行为分析、神经

网络、信．妊处理与数据库等几个方面讨论了计算机技术的应用及其发展趋势．

关键词：计算机模拟；神经网络；数据库；输气管道；焊接；腐蚀与防护

中图分类号：卯３９１．９；ＴＥ９８８．２文献标识码：Ａ

０前言

石油和天然气作为国民经济发展的重要基础已被世界各国所重视．随着我国国民经济的快速发展，对能源的需求量越来越大，同时能源的结构也发生着变化，管道输送石油或天然气是最经济和最安全的运输方法．尤其是天然气近年来探明的储量急剧上升，使得输气管线在整个管道工程中所占的比例不断增加，从而输气管道的铺设量开始大幅度增加．焊接工艺对输气管道的质量有着直接的影响．由于焊接时管线钢经历着一系列复杂的非平衡的物理化学过程，从而造成焊缝和热影响区的化学成分不均匀性、晶粒粗大、组织偏析等缺陷，因此焊接接头处的腐蚀抗力较低““．腐蚀是影响管道系统可靠性及安全使用寿命的关键因素，它不仅造成因穿孔而引起的油、气、水的泄漏损失，而且往往会造成重大的经济损失、人员伤亡，环境污染以及油气输送中断．

于是管道铺设过程中的焊接技术及运营中的腐蚀与防护成为人们研究的重要课题．计算机技术的飞速发展，为其它学科发展提供了强有力的支持工具．例如：将现代计算机技术及其相关的数值模拟、图像处理、人工智能、模糊识别及神经网络等技术用于管线铺设的焊接过程中；对于运营中的管道，将专家系统、神经网络、模型模拟分析、数据库等计算机技术应用于管道腐蚀与防护中．进行监控、信息处理．基于以上背景，本文针对管道铺设中的焊接及运营中的腐蚀与防腐课题，从以下几个方面探讨了计算机技术的应用与发展．

１计算机技术在管道焊接中的应用

当母材与腐蚀环境组成的腐蚀体系确定后，焊接材料的合金系统及合金元素含量是决定焊缝成分、组织和性能的重要因素．于是合理控制焊接过程中的相关参数显得尤为重要，因为它直接影响焊缝的一系列变化．关于此方面的计算机技术开发一直被许多学者所重视．

１，１计算机模拟技术的应用

管道铺设对焊接质量的要求更为严格，焊接过程中造成的成分、组织、性能、残余应力及焊接缺陷等都将导致管线钢的抗腐蚀能力降低．为了更好的控制焊接过程中的有关参数，早在２０多年前，人们

收藕日期：２００３一０６一１０作者简介：杨江（１９７２一）．男（汉族），硕士生

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计算机技术在输气管道铺没及腐蚀中的应用１０７

就开始从事这方面的应用研究．焊接模拟技术发展涉及到?个重要方面，即焊接冶金的模拟ｎ?，其中包括焊接温度场的模拟，网为焊接温度场的分布决定了焊接的热循环，从而在很大程度上，影响着焊接接头的应力分布及焊接区组织性能，继而影响管道的抗腐蚀性能．因此，焊接温度场的准确计算及精确控制具有重要的理论价值和实际意义”１．

较早的焊接热过程采用解析法进行分析．例如：对于ｉ维热传导，焊接件的温度场分布由下述偏微分方程来确定：

百２面‘万尹＋万矿＋万７，鲁＝去ｃ韶＋寄＋害，

式中：ｒ为温度（ｏＣ）；ｆ为时间（ｓ）；ｘ、ｙ、＝为传热方向：Ａ为热导率（ｗ／（ｃｍ?。ｃ））；印为体积热容（Ｊ／（ｃｍ３?。Ｃ））．

若给定初始条件和边界条件，可以对上述方程求解．如果假定材料的热物理参数是常数，不随温窿而变化．此外不考虑结晶潜热的影响，上述微分方程可以获得比较简单的解析解．然而实际中绝大部分金属和合金的热物理参数（Ａ，印）都随温度的改变而发生比较明显的变化，所以解析法的计算精度受到限制．随着计算机技术的发展，为有限元法，有限差分法和数值分析所需进行的大量计算提供了条件，于是焊接温度场的研究进入丁一个崭新的阶段ｎ，．例如：加拿大的ｚ．Ｐａｌｅｙ编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层ｕ、Ｖ形坡口的焊接传热计算机程序，采用了差分法，考虑了材料热物理性能与温度的关系，并将熔化区内的单元作为加热的热源来处理．英国ＭＩＴ的Ｋ．Ｍａｓｌ小ｕｃｈｉ等人用有限元法研究了水下焊接传热问题．ｓ．Ｋｏｕ建立了模拟厚板钨极氩弧焊及等离子弧堆焊的准稳态三维温度场的差分计算模型“一１．ｔＫａｓｕｙａ等最近提出了一种新的温度场数学模型（三维温度场移动点热源），其大能量自动埋弧焊数值模拟结果与实测结果相吻合”。．ＴｅⅫｗａｌ等利用ＡＢＡＯｕｓ有限元软件对ＧＭＡ多道焊的焊接热过程进行了模拟，熔池和热影响区尺寸的数值模拟计算与实测结果一致．国内，几所大学分别用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度场，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，建立了焊接温度场的有限元计算模型和相应的计算机程序，并对脉冲ＴＩＧ焊接温度场，局部干法水下焊接温度场等进行了成功的实例分析，使焊接温度场的计算更接近于实际“”．同时利用有限元法建立了激光熔敷二维温度场的计算模型，其计算机模拟的熔池、热影响区的形状与尺寸与采用金相法实测的结果吻合良好，为合理地选择激光熔敷工艺参数奠定了基础“”．

通过上述研究可以看出，焊接热过程数值模拟取得了不少研究成果，但仍有许多因素例如：材料的热物理性能数据不足，热源分布参数的确定等因素制约着焊接热过程数值模拟技术的发展．在这方面仍需要进一步深入研究，实现真正的虚拟焊接．

１．２焊接过程中氢扩散行为的研究

管道的工作环境对管线钢不仅提出高强度、高韧性、优良焊接性能的要求，还要对抗氢致裂纹（Ｈｙ出ｏｇ∞ＩｎｄｕｃｅｄｃｒａｃｋｉｎｇＨＩｃ）性能提出严格的标准．ＨＩｃ指酸性环境中的钢材因吸收腐蚀生成的氢使钢材内部产生的裂纹称为氢致开裂．ｍｃ作为一种缺陷存在于钢中对使用性能的影响至今尚无统一的认识．但是大量的研究和现场实践表明ｎ。…，这种不需外力生成的ＨＩｃ可视为与氢的扩散行为有直接的影响．目前国内输气管线钢采用比较多的是ｘ５２，ｘ６０和ｘ６５等钢种，西气东输工程普遍采用ｘ７０管线钢．各种钢管不仅力学性能指标存在较大的差异，而且其抗腐蚀特别是抗ＨＩｃ的性能也存在较大差异．

作为氢来源之一且ＨＩｃ敏感的焊接区的氢的行为显得很重要．例如：诎ａｌｌａｓｈｉ采用有限差分法计算了氢在２．２５ｃｒｌＭｏ钢的厚板多道焊接头中分布的情况，但是由于应用了Ｆｉｃｋ第二定律，结果只是解决了宏观上焊缝金属中的氢扩散问题，并末解决微观氢扩问题．如缺口端部或ＨＡｚ中的氢的聚集．在不均匀介质中，氢扩散的驱动力是氢的化学势之差，Ⅵ耐ｏｋａ等考虑到焊接接头严重的不均匀性，将氢的活度引入方程。按下列方程进行氢的扩散与聚集分析：

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１０８河北工业大学学报２００４年第１期

百一了—疗’。ｙ…Ｌ—厂’害＝号鲁＋ｙＶ（学）

式中：ａ为活度，ｙ为活度系数，Ｄ为扩散系数，ｆ为时间．

然而，管道在腐蚀介质中氢的扩散又不同于其它钢板的氢扩散行为，因为管道中氢的扩散行为受多方面的影响，其中腐蚀介质的温度、硫化氢分压、ｐＨ值等因素都将对氢扩散起着重要作用．为了更深入探讨氢的行为，文献［１５］将计算机图像处理技术应用于合金钢焊接区扩散氢动态分布的研究中，并开发了一系列图像处理软件．通过该系统即可对焊接区扩散氢的动态分布进行直观及定量分析．然而应当指出的是，尽管在氢扩散与聚集行为方面取得了一定的研究成果，但由于目前还找不出合适的物理模型及数学方程来描述此过程．因此，尚不能采用纯粹意义上的数值分析方法模拟氢行为，只能借助于数值分析与试验技术相结合的方法，即在试验实测的基础上采用数值分析的方法进行数据处理，加以预测．

无论对于哪一种腐蚀体系，为了防止焊接接头产生腐蚀，在制订焊接工艺时应尽量做到：

１）保证不发生硬化组织：

２）防止晶粒粗化；

３）力求焊接热影响区的组织均匀化；

４）减少焊接残余应力．

２计算机技术在管道腐蚀与防护中的应用

埋地钢制管道有时会受到意外的腐蚀破坏而产生严重的失效事故．管线钢由于点腐蚀导致穿孔泄漏已为人们熟知，管线钢由于涂层破损、开裂起翘而引起的缝隙腐蚀也已进行了许多研究，相应的在此方面的计算机应用技术也获得了许多研究成果．

２．１人工神经网络

人工神经网络“６１是在８０年代中期迅速发展的一门非线性学科．该网络是由大量的神经元（处理单元）广泛的相互连接而形成的．它是一种力图模拟人脑基本特性来处理数据的一种方法．与一般的数据处理相比，神经网络的优越性表现在以下几个方面：处理模糊的数据，需要决定的模式特征不明确，数据本身非线性，随机数据中含有较多的噪音等．神经网络具有联想记忆和分类的基本功能．

管道的腐蚀与防护中可以利用神经网络的特性对腐蚀进行分类，例如：通过改变网络中各单元连接的权重，辨析管道属于硫化氢应力腐蚀或氢致开裂；神经网络从动态电位极化扫描的结果信息来辨别其是缝隙腐蚀、均匀腐蚀，点蚀，同时他们把专家系统（现有的专家系统可以分为以下３大类型：诊断型、设计型、控制型）与神经网络结合在一起利用存储起来的知识分析和处理问题．ＨＭ．Ｇ．ｓｍｅｔｓ和ｗＦＬＢｏｇａｅｍ“７１从应力腐蚀（ｓｒｅｓｓｃｏｒｒＤｓｉｏｎｃｍｄ【ｉｎｇｓｃｃ）的影响因素如介质温度、介质中氯离子浓度、浸泡时间等出发，利用ＢＰ（ＢａｃｋＰｍ】）ａｇａｔｉｏⅡ）型神经网络预测了３０４钢发生ｓｓｃ的可能性．文献［１８】利用人工神经网络的学习特征和非线性特征，把土壤的成分、物化性能、腐蚀试验时间、０２３５钢在土壤中较短时间内的腐蚀试验数据作为网络训练样本，对Ｑ２３５钢在土壤介质中较长时间的运营导致的腐蚀进行了腐蚀速度的预测．

所有这些研究表明，人工神经网络为腐蚀实验室试验结果与实际使用中的腐蚀性能的预测相联系提供了重要的手段，从而使人们借助于该种手段在试验数据的基础上更好的预测实际运营种腐蚀性能、腐蚀机理、腐蚀行为，为防腐设计提供有力的依据．最终将解决试验数据与实际使用结果相脱节的问题．２．２腐蚀数据库的建立

腐蚀数据信息，数量多，腐蚀相关因素多，同时涉及到腐蚀数据的统计分析，数值积分、微分等大量的计算问题．在数据信息的贮存利用方面，计算机提供了极大的便利．例如：对腐蚀电极化动力学参数，可以通过高斯．牛顿法产生一组新的参数估计并不断重复直到剩余误差在预设值的范围变化；利用非迭代法及最小二乘法计算腐蚀动力学参数．利用数据库“…、网络技术为人们提供更准确、更方便的万方数据　

计算机技术在输气管道铺设及腐蚀中的应用

信息．１０９

数据库是有关数据和信息的收集及整理．每一个数据库的设计都是为了便于数据的存储，查询、使用．腐蚀数据库系统的建立是在６０年代提出的，许多学者已建立了形式多样的数据库，并且通过协议数据库开始向国际化方向发展，做到资源共享．

腐蚀数据库的特点必须遵循腐蚀过程的实际情况．管道的腐蚀不仅与管道的成分、成型工艺，力学性能等相联系而且与管道的工况紧密相关，例如：介质的温度、介质的ｐＨ值，介质中硫化氢浓度等．在腐蚀过程中，这两个因素交互作用．在同样的环境条件下，不同的管线钢具有不同的耐蚀性；同一管线钢在不同的环境中表现为不同的腐蚀特性：即使这两种因素相同，仍有许多不确定因素影响到腐蚀过程．所以包含材料状态、环境条件、耐腐蚀性能的一组数据不能建立完整的数据库，必须考虑许多必不町少的影响因素．近年来，德国的ＤＥｃＨＥＭＡ建立了类似ｃｏⅡＤｓｉｏｎＤａ协ＰｍｇｒａｒＩｌ数据库．美国工程腐蚀学会【ＮＡｃＥ）已陆续开发丁ｃＯＲ，ｓｕＢ等软件．同时ＮＡｃＥ和美国国家标准及技术研究院（ＮＩｓＴ）进行数据库规划主要包括以下几个方面ｎ“：

１）材料状况：化学成分，组织状态．加工工艺，热处理工艺：

２）试验状况：试验类型，试验重点，环境介质，暴露状态：

３）样品状况：样品设计，样品变化；

４）资料来源．

作为一个腐蚀数据库，不仅具有与材料类型相关的数据库相类似的性质，同时要保持和腐蚀与防腐领域相联系的特点．近年来我国也陆续建立了土壤、大气等腐蚀数据库．

在管道铺设及运营中，计算机技术作为一个强有力的工具得到了广泛的应用，随着计算机技术的发展，必将进一步促进管道焊接、管道腐蚀与防护领域的发展．’

３结论

１）应用现代计算机技术进行管道焊接与腐蚀研究是当今材料研究的前沿领域，随着科学技术的不断发展，该领域的研究将不断深入．

２）对于管线钢铺设的焊接过程，将现代计算机技术用于焊接温度场模拟、焊接及腐蚀中氢行为数值模拟的准确程度不断得到提高．但是，由于焊接冶金过程极其复杂，仍须进行大量深入的研究工作，建立全面精确的数学模型仍然是今后努力的方向．

３）就运营中的管道而言，腐蚀与防护涉及到管道的失效及维护．应用现代计算机技术如：信息处理、人工神经网络、数据库等技术为研究管道的腐蚀与防护提供了有利的工具．

４）随着计算机技术的飞跃发展必将推动材料腐蚀与防护领域学科的前进，从而节省能源，造福人类．参考文献：

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