• <tt id="4s6ac"><samp id="4s6ac"></samp></tt>
  • 大直徑321不銹鋼厚壁鋼管焊前感應預熱溫度場的數值模擬

    利用ANSYS軟件建立了電磁感應加熱的電磁-熱耦合數值模型,對大直徑321不銹鋼厚壁鋼管的焊前感應預熱瞬態溫度分布進行了模擬分析。研究了感應線圈中不同電流大小、頻率以及不同感應加熱方式作用下不銹鋼管的溫度分布情況,通過調節電流參數和感應加熱作用方式使得感應預熱后不銹鋼管溫度達到(120±10)℃的預熱工藝要求。結果表明:采用間隔20s加熱10s,且感應電流頻率10kHz、大。罚担埃恋募訜峁に嚍樽罴迅袘A熱工藝。

    大口徑不銹鋼厚壁鋼管是裝備制造業中經常遇到的結構,廣泛應用于食品、制藥、化學和化工等領域。在其制造過程中,電弧焊接是最可靠的連接方式[1],然而電弧的熱輸入集中、不銹鋼管局部加熱和冷卻速度快,焊后焊道容易出現應力集中甚至開裂,導致不銹鋼管的使用性能和疲勞壽命嚴重降低。為了降低焊接應力及消除裂紋,需要對不銹鋼管進行焊前預熱。目前生產中常用的焊前預熱方法有火焰加熱和電阻加熱兩種方法;鹧婕訜岱绞绞褂煤唵,但不銹鋼管氧化和環境污染嚴重。電阻加熱方式依賴電阻絲或電阻片產生的熱輻射或熱傳導來加熱不銹鋼管,其能量利用率較低[2]。近年來,電磁感應加熱在焊前預熱應用中逐步增多。感應加熱的原理是在線圈感應器內通入一定頻率的交變電流,線圈周圍產生交變磁場,交變磁場切割不銹鋼管,在不銹鋼管內形成渦流,產生的焦耳熱使得不銹鋼管溫度升高[3]。與傳統加熱方式相比,感應加熱具有加熱速度快,溫度便于控制,成本低,節能環保,而且容易實現自動化等優點,因此對厚板厚壁鋼管宜采用感應加熱熱處理方式進行焊前預熱[4]。

    國內外眾多學者對不同金屬材料感應加熱的電磁和熱過程進行了數值研究,取得了不少成果。MAO等[5]建立了316LN不銹鋼管道的感應加熱模型,分析了感應加熱后電磁場和溫度場的分布,比較了預制孔上有蓋和無蓋兩種情況下管道的溫度分布情況,發現在預制孔上加蓋可以明顯減小溫度場的不均勻性。KRANJC等[6]利用有限元法計算了X5CrNi189不銹鋼的感應加熱溫度場,比較了隨溫度變化的材料屬性和獨立材料屬性對溫度場的影響,通過實驗與模擬結果對比可知,模擬誤差主要取決于材料屬性。SHEN等[7]基于FEMLAB有限元軟件建立了鋼板電磁-熱耦合模型,得出了感應加熱主要工藝參數對鋼板表面溫度的影響規律。趙敏等[8]對45鋼坯鍛造前的感應加熱過程的溫度場進行了數值分析,為感應加熱線圈的設計和加熱工藝的制定提供了理論基礎。張洪亮[9]分析了電流密度、頻率以及線圈間隙等工藝參數對45鋼高頻直縫焊管中頻感應熱處理溫度場的影響。梁立凱等[10]模擬了304不銹鋼柱狀坯料在感應加熱過程中的溫度分布和變化規律,發現在快速加熱階段不銹鋼管內外溫差較大,并且徑向大于縱向。然而,厚壁件在電弧焊前一般都開設有坡口,坡口的位置、大小以及形狀影響不銹鋼管感應預熱溫度的分布,研究厚壁不銹鋼管的焊前預熱問題必須考慮焊接坡口對導熱的影響。目前,尚未見到有關感應焊前預熱及焊接坡口在焊前預熱過程中的影響規律的研究報道。

    本工作以大直徑321不銹鋼厚壁筒件的焊前感應預熱為研究對象,基于ANSYS軟件建立厚壁厚壁鋼管的感應加熱電磁-熱耦合模型,研究帶有坡口的厚壁鋼管焊前預熱感應線圈電流參數、加熱方式對溫度場的影響,對比分析不同電流參數以及連續加熱和間斷加熱后不銹鋼管溫度分布,得出最佳感應加熱方案,滿足焊前預熱的要求。

    1有限元模型

    1.1電磁-熱數學模型

    本工作研究對象為321不銹鋼厚壁鋼管,其外徑為2170mm,壁厚50mm。不銹鋼管焊前首先沿徑向開60°單V坡口,點焊固定,然后采用電磁感應預熱,當不銹鋼管坡口周圍的溫度達到預熱要求后,再進行MIG對接焊。感應加熱時將兩匝線圈環繞在筒件外壁,線圈與筒件之間用厚10mm的保溫棉相隔,不銹鋼管及感應加熱方式如圖1所示。焊前預熱工藝要求不銹鋼管在感應加熱后坡口中心線兩側120mm局部內的溫度為(120±10)℃。

    1.2邊界條件及網格劃分

    在電磁場計算過程中,施加磁力線平行條件,保證管件中部的磁力線與筒件軸向平行。在溫度場計算時,近遠場空氣單元都設為無效,只考慮不銹鋼管溫度場。不銹鋼管處于流體介質中,與周圍的空氣之間存在對流換熱,因此采用第三類邊界條件λTxnx+λTyny+λTznz=βTα-T()s。(6)其中:β為表面換熱系數(W·(m2·℃)-1);Tα為周圍介質溫度(℃);Ts為不銹鋼管邊界溫度(℃)。由于焊前預熱時坡口并未被熔融金屬填充,因此需要考慮坡口處的傳熱問題。本研究中假設單V坡口兩側的鈍邊緊密接觸,不存在熱阻;V型坡口內物質為空氣,只考慮不銹鋼管外壁面與空氣的對流導熱?紤]到筒件的中心對稱性,為了提高計算效率,將模型簡化為二維模型進行計算。電磁場模型中采用plane233單元,計算過程中采用不均勻網格劃分,其中線圈、保溫棉、不銹鋼管以及近場空氣采用網格細化,遠場空氣采用較大網格自由劃分,共有36330個節點,15943個單元。溫度場模型中采用plane77單元,重新劃分不銹鋼管網格,劃分結束后共有13361個節點,4300個單元。不銹鋼管有限元網格的劃分如圖2所示。

    1.3材料屬性

    材料屬性是材料本身所具有的性能或特性,電磁場計算部分用到了材料的相對磁導率、電阻率,溫度場計算部分用到了材料的導熱系數、比熱容、密度等材料屬性。本工作中筒件為321不銹鋼,其熱物性參數具體值取自參考文獻[11],線圈材料選用T3銅,其相對磁導率為1,電阻率為1.71×10-8Ω·m,空氣相對磁導率為1,保溫棉導熱系數為0.03W·(m·k)-1。

    2感應加熱

    溫度場的模擬與分析基于電磁學及熱傳導理論,利用所建立的電磁-熱模型,采用ANSYS計算中的“順序耦合法”進行求解,即先進行電磁計算,再進行瞬態溫度計算。計算時在不同時間間隔內重復電磁分析以減小材料熱物性參數變化對計算結果的影響。為了達到感應預熱要求溫度,需要對電流參數和加熱方式進行合理的設置。根據文獻[12]中感應加熱電流頻率、大小的計算公式,為了達到本研究中不銹鋼管感應預熱工藝要求,線圈電流頻率應在5~15kHz內,電流大小應在200~1000A內。初步設置電流頻率分別為5、10kHz,電流大小為500、800A,依次進行焊前感應預熱溫度場試算分析,具體設置如表1所示。

    2.不銹鋼管坡口設置

    為了研究坡口對溫度場的影響,首先采用連續加熱的方式進行表1中case1的模擬計算,得到不銹鋼管坡口及附近的溫度分布情況如圖3所示。由圖3(a)可知,不銹鋼管開坡口后坡口兩側溫度最高,在60~80℃之間,坡口內沒有溫度變化,這是由于坡口內為空氣,只存在與坡口邊緣處的對流換熱作用,與實際情況相符。由圖3(b)可知,不開坡口時不銹鋼管在線圈正下方處溫度最高,在80~110℃范圍內,這是由于不開坡口意味著將坡口內空氣設置為了不銹鋼管屬性,因此感應加熱時此部分迅速升溫,同時通過熱傳導作用影響不銹鋼管周圍部分的升溫,增加周圍不銹鋼管的升溫速率,影響不銹鋼管的溫度分布。因此在模擬計算時對模型進行開坡口處理是必要的。為了進一步研究感應加熱方式對不銹鋼管溫度場的影響,模擬計算時設置連續感應加熱和間斷感應加熱兩種方式。

    3.2連續加熱方式

    根據表1中的方案設置,采用連續加熱的方式進行case1和case2的模擬計算,得到不銹鋼管的溫度分布情況如圖4所示。為了觀察內外壁溫度,只顯示留三維模型的四分之三部分。

     

    由圖4(a)可知,當電流頻率為5kHz,電流大小為500A時,感應加熱500s后不銹鋼管溫度場穩定,其內外表面溫度均在80℃以下,未達到預熱要求。由圖4(b)可知,當電流頻率為5kHz,電流大小為800A時,感應加熱500s后不銹鋼管溫度場穩定,不銹鋼管內部溫度在110~130℃范圍內,但不銹鋼管外表面溫度已經超過130℃,超出要求的溫度范圍,因此case1和case2不是合理的方案。圖中反映出的內外表面溫差較大的問題是由于采用連續加熱的方式導致的,由于線圈作用在不銹鋼管的外表面,感應加熱時存在嚴重的集膚現象,不銹鋼管外表面升溫快,而內表面則主要是依靠外表面的熱傳導作用,升溫速度慢。連續作用的加熱方式使得不銹鋼管受熱不均勻,不銹鋼管內外表面存在很大的溫度差,因此考慮將加熱方式更換為間斷加熱方式,根據常用感應加熱方式,將停止加熱的間隔時間設置為20s。

    2.3間斷加熱方式

    設置感應間隔20s加熱10s的間斷加熱模式,分別采用表1中的case3和case4進行計算分析,即固定電流頻率為10kHz,電流分別采用500A和800A進行計算,1500s后不銹鋼管溫度場穩定,結果如圖5所示。

    由圖5(a)可知,當電流頻率為10kHz,電流大小為500A時,坡口兩側250mm范圍內不銹鋼管的溫度升高,最高溫度出現在坡口兩側85mm內,為80℃,達不到工藝要求。由圖5(b)可知,當電流大小為800A時,坡口兩側470mm范圍內不銹鋼管的溫度升高,溫度在坡口兩側分布對稱,且隨著與坡口處距離的增加而遞減,最高溫度出現在坡口兩側125mm范圍內,已超過130℃,不滿足工藝要求,因此再次調整模擬方案,將電流減小至700A。圖6為電流頻率為10kHz、電流大小為700A(case5)第1500s時不銹鋼管的溫度分布。由圖可知,坡口兩側480mm內的不銹鋼管溫度升高,坡口兩側寬度50mm、深度38mm內的不銹鋼管溫度最高,在110~130℃范圍內。不銹鋼管內部溫度在110℃以下,內外溫差嚴重,這是由于感應加熱的集膚效應,不銹鋼管外表面升溫迅速,從外表面到內表面溫度梯度較大,這種溫度梯度容易引起應力集中,因此再次調整方案,通過改變線圈電流大小來改善不銹鋼管內的熱傳導作用,從而減小內外溫差。比較圖5(b)和圖6可知,當電流為800A時不銹鋼管溫度超過工藝要求,當電流為700A時不銹鋼管溫度達不到工藝要求,因此將電流調節至750A(case6)再次進行計算,結果如圖7所示。由圖7(a)可知,當電流頻率為10kHz,電流大小為750A時,坡口兩側500mm內不銹鋼管溫度升高,不銹鋼管內外壁受熱均勻,這是由于增大電流后不銹鋼管表面渦流增大,從而使得熱傳導作用增強,內外壁溫差減小。由圖7(b)可知,坡口兩側128mm范圍內不銹鋼管溫度在110~130℃之間,越遠離坡口處溫度越低,這是因為坡口位于線圈的正下方,感應加熱作用最強,越遠離坡口的位置感應作用越弱。

    為了更好的分析溫度隨時間的變化情況,做出圖7(b)中1、2、3點溫度隨時間變化的曲線,如圖8所示。由圖8可知,內外壁升溫階段均為非線性曲線,升溫速率從外壁往內部逐漸遞減。當達到最高溫度后,加熱停止,不銹鋼管與外部空氣進行熱交換,此時整個不銹鋼管溫度都快速下降,并且各點溫度下降曲線一致,降溫速率均隨著溫度的降低而減小,這是由于不銹鋼管溫度越高,與周圍空氣的熱傳導和對流換熱越嚴重,溫度下降速率越快。當不銹鋼管與周圍空氣之間的溫差減小時,對應的導熱與換熱作用也減小,在圖8中表現為降溫曲線越來越平緩。在此種加熱方式作用下,不銹鋼管外壁最高溫度為124℃,中部最高溫度為120℃,內壁最高溫度為116℃,內外壁溫度均滿足要求,并且溫差較小,說明間隔20s加熱10s這種加熱方式能很好地實現感應加熱時不銹鋼管外部往內部的熱傳導,同時線圈電流頻率為10kHz、電流大小為750A能很好地滿足溫度工藝要求,為最佳方案。為了驗證模擬結果的正確性,使用點焊的方式將K型鎳鉻-鎳硅熱電偶固定在圖7(b)中所示的點1位置,測出在最佳感應加熱方案條件下點1處的實際溫度變化曲線,并與模擬溫度變化曲線進行對比,如圖9所示。結果表明:模擬結果與實驗數據較吻合,數值分析結果可以有效地預測焊前感應預熱溫度場變化。不銹鋼管降溫階段的模擬值與實驗值存在一定誤差,誤差產生的原因可能是模擬過程中材料熱物性參數的設置與實際值存在偏差。

    為了比較不銹鋼管開坡口時與未開坡口時的溫度分布情況,選用最佳工藝方案(case6)對未考慮坡口時的不銹鋼管進行焊前預熱溫度場進行模擬,得到如圖10所示的溫度分布。比較圖10(b)和圖7(b)可知,不銹鋼管未開坡口時最高溫度超過130℃,且不銹鋼管整體溫度比開坡口時高出約30℃。由此可知,坡口對不銹鋼管溫度的分布及大小影響很大,因此焊前感應預熱模擬時必須要考慮坡口的存在。

    3結語

    通過改變電流參數(電流頻率、電流大。┖透袘訜岱绞,模擬計算了321不銹鋼在不同參數下的感應預熱溫度分布。通過比較可知當電流頻率為10kHz、電流大小為750A,采用間隔20s加熱10s的加熱方式時,不銹鋼管外壁最高溫度為124℃,內壁最高溫度為116℃,內外溫差小,溫度滿足要求,此為最佳的感應加熱工藝方案。比較了在最佳工藝方案作用下筒件考慮坡口與不考慮坡口時的溫度分布,證明了感應預熱模擬時對筒件開坡口處理的必要性。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

    文章地址:http://www.educacao-fisica.com/Info/View.Asp?Id=910

    版權所有 © 轉載時必須以鏈接形式注明作者和原始出處

    我們需要您的支持與分享

    分享到:

    相關新聞

      沒有資料
    什么是外围