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大口徑厚壁管
您的位置:網(wǎng)站首頁 > 新聞動態(tài) > 大口徑厚壁管 > 正文大直徑321不銹鋼厚壁鋼管焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場的數(shù)值模擬
利用ANSYS軟件建立了電磁感應(yīng)加熱的電磁-熱耦合數(shù)值模型,對大直徑321不銹鋼厚壁鋼管的焊前感應(yīng)預(yù)熱瞬態(tài)溫度分布進(jìn)行了模擬分析。研究了感應(yīng)線圈中不同電流大小、頻率以及不同感應(yīng)加熱方式作用下不銹鋼管的溫度分布情況,通過調(diào)節(jié)電流參數(shù)和感應(yīng)加熱作用方式使得感應(yīng)預(yù)熱后不銹鋼管溫度達(dá)到(120±10)℃的預(yù)熱工藝要求。結(jié)果表明:采用間隔20s加熱10s,且感應(yīng)電流頻率10kHz、大小750A的加熱工藝為最佳感應(yīng)預(yù)熱工藝。
大口徑不銹鋼厚壁鋼管是裝備制造業(yè)中經(jīng)常遇到的結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于食品、制藥、化學(xué)和化工等領(lǐng)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(xiàn)應(yīng)力集中甚至開裂,導(dǎo)致不銹鋼管的使用性能和疲勞壽命嚴(yán)重降低。為了降低焊接應(yīng)力及消除裂紋,需要對不銹鋼管進(jìn)行焊前預(yù)熱。目前生產(chǎn)中常用的焊前預(yù)熱方法有火焰加熱和電阻加熱兩種方法。火焰加熱方式使用簡單,但不銹鋼管氧化和環(huán)境污染嚴(yán)重。電阻加熱方式依賴電阻絲或電阻片產(chǎn)生的熱輻射或熱傳導(dǎo)來加熱不銹鋼管,其能量利用率較低[2]。近年來,電磁感應(yīng)加熱在焊前預(yù)熱應(yīng)用中逐步增多。感應(yīng)加熱的原理是在線圈感應(yīng)器內(nèi)通入一定頻率的交變電流,線圈周圍產(chǎn)生交變磁場,交變磁場切割不銹鋼管,在不銹鋼管內(nèi)形成渦流,產(chǎn)生的焦耳熱使得不銹鋼管溫度升高[3]。與傳統(tǒng)加熱方式相比,感應(yīng)加熱具有加熱速度快,溫度便于控制,成本低,節(jié)能環(huán)保,而且容易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn),因此對厚板厚壁鋼管宜采用感應(yīng)加熱熱處理方式進(jìn)行焊前預(yù)熱[4]。
國內(nèi)外眾多學(xué)者對不同金屬材料感應(yīng)加熱的電磁和熱過程進(jìn)行了數(shù)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(yīng)加熱模型,分析了感應(yīng)加熱后電磁場和溫度場的分布,比較了預(yù)制孔上有蓋和無蓋兩種情況下管道的溫度分布情況,發(fā)現(xiàn)在預(yù)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(jì)算了X5CrNi189不銹鋼的感應(yīng)加熱溫度場,比較了隨溫度變化的材料屬性和獨(dú)立材料屬性對溫度場的影響,通過實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)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(yīng)加熱主要工藝參數(shù)對鋼板表面溫度的影響規(guī)律。趙敏等[8]對45鋼坯鍛造前的感應(yīng)加熱過程的溫度場進(jìn)行了數(shù)值分析,為感應(yīng)加熱線圈的設(shè)計(jì)和加熱工藝的制定提供了理論基礎(chǔ)。張洪亮[9]分析了電流密度、頻率以及線圈間隙等工藝參數(shù)對45鋼高頻直縫焊管中頻感應(yīng)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(yīng)加熱過程中的溫度分布和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在快速加熱階段不銹鋼管內(nèi)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(shè)有坡口,坡口的位置、大小以及形狀影響不銹鋼管感應(yīng)預(yù)熱溫度的分布,研究厚壁不銹鋼管的焊前預(yù)熱問題必須考慮焊接坡口對導(dǎo)熱的影響。目前,尚未見到有關(guān)感應(yīng)焊前預(yù)熱及焊接坡口在焊前預(yù)熱過程中的影響規(guī)律的研究報(bào)道。
本工作以大直徑321不銹鋼厚壁筒件的焊前感應(yīng)預(yù)熱為研究對象,基于ANSYS軟件建立厚壁厚壁鋼管的感應(yīng)加熱電磁-熱耦合模型,研究帶有坡口的厚壁鋼管焊前預(yù)熱感應(yīng)線圈電流參數(shù)、加熱方式對溫度場的影響,對比分析不同電流參數(shù)以及連續(xù)加熱和間斷加熱后不銹鋼管溫度分布,得出最佳感應(yīng)加熱方案,滿足焊前預(yù)熱的要求。
1有限元模型
1.1電磁-熱數(shù)學(xué)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(diǎn)焊固定,然后采用電磁感應(yīng)預(yù)熱,當(dāng)不銹鋼管坡口周圍的溫度達(dá)到預(yù)熱要求后,再進(jìn)行MIG對接焊。感應(yīng)加熱時(shí)將兩匝線圈環(huán)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(yīng)加熱方式如圖1所示。焊前預(yù)熱工藝要求不銹鋼管在感應(yīng)加熱后坡口中心線兩側(cè)120mm局部內(nèi)的溫度為(120±10)℃。
1.2邊界條件及網(wǎng)格劃分
在電磁場計(jì)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(jì)算時(shí),近遠(yuǎn)場空氣單元都設(shè)為無效,只考慮不銹鋼管溫度場。不銹鋼管處于流體介質(zhì)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λTxnx+λTyny+λTznz=βTα-T()s。(6)其中:β為表面換熱系數(shù)(W·(m2·℃)-1);Tα為周圍介質(zhì)溫度(℃);Ts為不銹鋼管邊界溫度(℃)。由于焊前預(yù)熱時(shí)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(shè)單V坡口兩側(cè)的鈍邊緊密接觸,不存在熱阻;V型坡口內(nèi)物質(zhì)為空氣,只考慮不銹鋼管外壁面與空氣的對流導(dǎo)熱?紤]到筒件的中心對稱性,為了提高計(jì)算效率,將模型簡化為二維模型進(jìn)行計(jì)算。電磁場模型中采用plane233單元,計(jì)算過程中采用不均勻網(wǎng)格劃分,其中線圈、保溫棉、不銹鋼管以及近場空氣采用網(wǎng)格細(xì)化,遠(yuǎn)場空氣采用較大網(wǎng)格自由劃分,共有36330個(gè)節(jié)點(diǎn),15943個(gè)單元。溫度場模型中采用plane77單元,重新劃分不銹鋼管網(wǎng)格,劃分結(jié)束后共有13361個(gè)節(jié)點(diǎn),4300個(gè)單元。不銹鋼管有限元網(wǎng)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(jì)算部分用到了材料的相對磁導(dǎo)率、電阻率,溫度場計(jì)算部分用到了材料的導(dǎo)熱系數(shù)、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(shù)具體值取自參考文獻(xiàn)[11],線圈材料選用T3銅,其相對磁導(dǎo)率為1,電阻率為1.71×10-8Ω·m,空氣相對磁導(dǎo)率為1,保溫棉導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W·(m·k)-1。
2感應(yīng)加熱
溫度場的模擬與分析基于電磁學(xué)及熱傳導(dǎo)理論,利用所建立的電磁-熱模型,采用ANSYS計(jì)算中的“順序耦合法”進(jìn)行求解,即先進(jìn)行電磁計(jì)算,再進(jìn)行瞬態(tài)溫度計(jì)算。計(jì)算時(shí)在不同時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)電磁分析以減小材料熱物性參數(shù)變化對計(jì)算結(jié)果的影響。為了達(dá)到感應(yīng)預(yù)熱要求溫度,需要對電流參數(shù)和加熱方式進(jìn)行合理的設(shè)置。根據(jù)文獻(xiàn)[12]中感應(yīng)加熱電流頻率、大小的計(jì)算公式,為了達(dá)到本研究中不銹鋼管感應(yīng)預(yù)熱工藝要求,線圈電流頻率應(yīng)在5~15kHz內(nèi),電流大小應(yīng)在200~1000A內(nèi)。初步設(shè)置電流頻率分別為5、10kHz,電流大小為500、800A,依次進(jìn)行焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場試算分析,具體設(shè)置如表1所示。
2.1不銹鋼管坡口設(shè)置
為了研究坡口對溫度場的影響,首先采用連續(xù)加熱的方式進(jìn)行表1中case1的模擬計(jì)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(cè)溫度最高,在60~80℃之間,坡口內(nèi)沒有溫度變化,這是由于坡口內(nèi)為空氣,只存在與坡口邊緣處的對流換熱作用,與實(shí)際情況相符。由圖3(b)可知,不開坡口時(shí)不銹鋼管在線圈正下方處溫度最高,在80~110℃范圍內(nèi),這是由于不開坡口意味著將坡口內(nèi)空氣設(shè)置為了不銹鋼管屬性,因此感應(yīng)加熱時(shí)此部分迅速升溫,同時(shí)通過熱傳導(dǎo)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(jì)算時(shí)對模型進(jìn)行開坡口處理是必要的。為了進(jìn)一步研究感應(yīng)加熱方式對不銹鋼管溫度場的影響,模擬計(jì)算時(shí)設(shè)置連續(xù)感應(yīng)加熱和間斷感應(yīng)加熱兩種方式。
3.2連續(xù)加熱方式
根據(jù)表1中的方案設(shè)置,采用連續(xù)加熱的方式進(jìn)行case1和case2的模擬計(jì)算,得到不銹鋼管的溫度分布情況如圖4所示。為了觀察內(nèi)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(dāng)電流頻率為5kHz,電流大小為500A?xí)r,感應(yīng)加熱500s后不銹鋼管溫度場穩(wěn)定,其內(nèi)外表面溫度均在80℃以下,未達(dá)到預(yù)熱要求。由圖4(b)可知,當(dāng)電流頻率為5kHz,電流大小為800A?xí)r,感應(yīng)加熱500s后不銹鋼管溫度場穩(wěn)定,不銹鋼管內(nèi)部溫度在110~130℃范圍內(nèi),但不銹鋼管外表面溫度已經(jīng)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(nèi)外表面溫差較大的問題是由于采用連續(xù)加熱的方式導(dǎo)致的,由于線圈作用在不銹鋼管的外表面,感應(yīng)加熱時(shí)存在嚴(yán)重的集膚現(xiàn)象,不銹鋼管外表面升溫快,而內(nèi)表面則主要是依靠外表面的熱傳導(dǎo)作用,升溫速度慢。連續(xù)作用的加熱方式使得不銹鋼管受熱不均勻,不銹鋼管內(nèi)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(jù)常用感應(yīng)加熱方式,將停止加熱的間隔時(shí)間設(shè)置為20s。
2.3間斷加熱方式
設(shè)置感應(yīng)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(jìn)行計(jì)算分析,即固定電流頻率為10kHz,電流分別采用500A和800A進(jìn)行計(jì)算,1500s后不銹鋼管溫度場穩(wěn)定,結(jié)果如圖5所示。
由圖5(a)可知,當(dāng)電流頻率為10kHz,電流大小為500A?xí)r,坡口兩側(cè)250mm范圍內(nèi)不銹鋼管的溫度升高,最高溫度出現(xiàn)在坡口兩側(cè)85mm內(nèi),為80℃,達(dá)不到工藝要求。由圖5(b)可知,當(dāng)電流大小為800A?xí)r,坡口兩側(cè)470mm范圍內(nèi)不銹鋼管的溫度升高,溫度在坡口兩側(cè)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(xiàn)在坡口兩側(cè)125mm范圍內(nèi),已超過130℃,不滿足工藝要求,因此再次調(diào)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(shí)不銹鋼管的溫度分布。由圖可知,坡口兩側(cè)480mm內(nèi)的不銹鋼管溫度升高,坡口兩側(cè)寬度50mm、深度38mm內(nèi)的不銹鋼管溫度最高,在110~130℃范圍內(nèi)。不銹鋼管內(nèi)部溫度在110℃以下,內(nèi)外溫差嚴(yán)重,這是由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng),不銹鋼管外表面升溫迅速,從外表面到內(nèi)表面溫度梯度較大,這種溫度梯度容易引起應(yīng)力集中,因此再次調(diào)整方案,通過改變線圈電流大小來改善不銹鋼管內(nèi)的熱傳導(dǎo)作用,從而減小內(nèi)外溫差。比較圖5(b)和圖6可知,當(dāng)電流為800A?xí)r不銹鋼管溫度超過工藝要求,當(dāng)電流為700A?xí)r不銹鋼管溫度達(dá)不到工藝要求,因此將電流調(diào)節(jié)至750A(case6)再次進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知,當(dāng)電流頻率為10kHz,電流大小為750A?xí)r,坡口兩側(cè)500mm內(nèi)不銹鋼管溫度升高,不銹鋼管內(nèi)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(dǎo)作用增強(qiáng),內(nèi)外壁溫差減小。由圖7(b)可知,坡口兩側(cè)128mm范圍內(nèi)不銹鋼管溫度在110~130℃之間,越遠(yuǎn)離坡口處溫度越低,這是因?yàn)槠驴谖挥诰圈的正下方,感應(yīng)加熱作用最強(qiáng),越遠(yuǎn)離坡口的位置感應(yīng)作用越弱。
為了更好的分析溫度隨時(shí)間的變化情況,做出圖7(b)中1、2、3點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線,如圖8所示。由圖8可知,內(nèi)外壁升溫階段均為非線性曲線,升溫速率從外壁往內(nèi)部逐漸遞減。當(dāng)達(dá)到最高溫度后,加熱停止,不銹鋼管與外部空氣進(jìn)行熱交換,此時(shí)整個(gè)不銹鋼管溫度都快速下降,并且各點(diǎn)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(dǎo)和對流換熱越嚴(yán)重,溫度下降速率越快。當(dāng)不銹鋼管與周圍空氣之間的溫差減小時(shí),對應(yīng)的導(dǎo)熱與換熱作用也減小,在圖8中表現(xiàn)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(nèi)壁最高溫度為116℃,內(nèi)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱時(shí)不銹鋼管外部往內(nèi)部的熱傳導(dǎo),同時(shí)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(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,使用點(diǎn)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(diǎn)1位置,測出在最佳感應(yīng)加熱方案條件下點(diǎn)1處的實(shí)際溫度變化曲線,并與模擬溫度變化曲線進(jìn)行對比,如圖9所示。結(jié)果表明:模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較吻合,數(shù)值分析結(jié)果可以有效地預(yù)測焊前感應(yīng)預(yù)熱溫度場變化。不銹鋼管降溫階段的模擬值與實(shí)驗(yàn)值存在一定誤差,誤差產(chǎn)生的原因可能是模擬過程中材料熱物性參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際值存在偏差。
為了比較不銹鋼管開坡口時(shí)與未開坡口時(shí)的溫度分布情況,選用最佳工藝方案(case6)對未考慮坡口時(shí)的不銹鋼管進(jìn)行焊前預(yù)熱溫度場進(jìn)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(shí)最高溫度超過130℃,且不銹鋼管整體溫度比開坡口時(shí)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(yīng)預(yù)熱模擬時(shí)必須要考慮坡口的存在。
3結(jié)語
通過改變電流參數(shù)(電流頻率、電流大小)和感應(yīng)加熱方式,模擬計(jì)算了321不銹鋼在不同參數(shù)下的感應(yīng)預(yù)熱溫度分布。通過比較可知當(dāng)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(shí),不銹鋼管外壁最高溫度為124℃,內(nèi)壁最高溫度為116℃,內(nèi)外溫差小,溫度滿足要求,此為最佳的感應(yīng)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(shí)的溫度分布,證明了感應(yīng)預(yù)熱模擬時(shí)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|小口徑厚壁鋼管-浙江至德鋼業(yè)有限公司
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