接管座安裝焊縫熱處理溫度場研究

1、.接管座安裝焊縫熱處理溫度場研究陳忠兵(蘇州熱工研究院電站焊接技術(shù)研究中心czbing2000)摘要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元計(jì)算，研究了加熱裝置的大小和布置、主支管的材料和規(guī)格、多管加熱、主管附加加熱等因素對(duì)接管座安裝焊縫熱處理溫度場的影響。加熱裝置的中心與焊縫中心重合，并對(duì)主管沿接管座根部局部附加加熱至520580，可較好地克服最高溫度偏移。該方法適用于不同材料、不同主支管壁厚比和不同的熱處理溫度下。關(guān)鍵詞 接管座 安裝焊縫 熱處理 溫度場 有限元分析 1引言集箱、汽包或其它容器與接管座的連接焊縫通常在制造廠內(nèi)完成，而接管座與管子連接的安裝焊縫則在現(xiàn)場進(jìn)行。接管座的高度

2、一般為100mm或以內(nèi)，對(duì)該安裝焊縫進(jìn)行熱處理時(shí)，加熱裝置的形狀、大小和位置都受到一定限制。表1為某工地接管座安裝焊縫熱處理700恒溫時(shí)的溫度實(shí)測(cè)結(jié)果。安裝焊縫距接管座根部的距離為90mm。現(xiàn)場采用遠(yuǎn)紅外自動(dòng)控溫?zé)崽幚韮x，繩狀加熱帶，緊靠接管座根部布置，纏繞寬度400mm。測(cè)點(diǎn)3即焊縫處熱電偶為控溫點(diǎn)。表1 安裝焊縫熱處理恒溫時(shí)溫度分布實(shí)測(cè)值集箱材料、規(guī)格管子材料、規(guī)格測(cè)點(diǎn)1測(cè)點(diǎn)2測(cè)點(diǎn)3測(cè)點(diǎn)4測(cè)點(diǎn)512Cr1MoV324×5015CrMo76×17.5340/0540/40700/90816/160811/290410/0540/60695/90790/160800/270

3、368/0540/50695/90830/220650/330注:分子為溫度()；分母為測(cè)點(diǎn)與接管座根部的距離(mm)。 從表1可看出，當(dāng)焊縫達(dá)到熱處理溫度700時(shí)，管子上出現(xiàn)超過800的高溫,遠(yuǎn)高于15CrMo的Ac1溫度745。不恰當(dāng)?shù)臒崽幚韺?dǎo)致熱處理失效或萌生新的缺陷，帶來經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。為此，需要對(duì)集箱、汽包或其它容器（以下稱主管）接管座與管子（以下稱支管）的安裝焊縫局部熱處理時(shí)的溫度場特性及影響因素進(jìn)行研究。 由于影響接管座安裝焊縫熱處理溫度場的因素比較復(fù)雜，單純依靠實(shí)驗(yàn)難以全面模擬工程中的各種情況和精確測(cè)量每一點(diǎn)的溫度分布,本研究將有限元計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合，采用工程上廣泛應(yīng)

4、用的有限元分析軟件ANSYS 7.0進(jìn)行熱分析。網(wǎng)格剖分選用20節(jié)點(diǎn)的六面體單元，圖1為一個(gè)網(wǎng)格剖分圖，單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為40637。對(duì)流和輻射換熱邊界條件作為面載施加于實(shí)體的外表面，采用穩(wěn)態(tài)非線性計(jì)算，加熱裝置以外的內(nèi)外表面取介質(zhì)環(huán)境溫度20。計(jì)算中使用的材料導(dǎo)熱系數(shù)如表所示。 圖1 多管加熱網(wǎng)格圖表2 計(jì)算材料導(dǎo)熱系數(shù)()材料2010020030040050060015CrMo-44.4-41.4-36.133.512Cr1MoV35.635.635.635.233.532.230.62熱處理溫度場特性2.1 不同情況下溫度場特性計(jì)算 主管與支管的材料分別選12Cr1MoV、15CrMo,規(guī)格分

5、別選324×50、76×17.5，熱處理溫度范圍取670700。加熱裝置的一端緊靠接管座根部，并取接管座根部作為支管沿軸向的相對(duì)坐標(biāo)零點(diǎn)，接管座安裝焊縫的中心距接管座根部100mm。當(dāng)加熱裝置寬度、溫度控制點(diǎn)改變時(shí)，計(jì)算得到的支管單獨(dú)局部熱處理和接管座焊縫熱處理溫度場的特性如表3-5、圖2-8及照片1-4所示。2.2 溫度場特性分析2.2.1支管單獨(dú)局部熱處理時(shí)的溫度場特性支管單獨(dú)加熱時(shí)，加熱裝置兩端管子的散熱條件相同，加熱裝置中心與最高溫度點(diǎn)（以下稱加熱中心）是重合的。但從加熱中心起始，溫度逐漸向加熱裝置兩端下降。寬200mm和400mm加熱裝置的實(shí)際保溫范圍都只僅占加熱

6、裝置寬度的52.5?？梢?，熱處理時(shí)的加熱范圍和保溫范圍是不等同的。 圖2 管子局部熱處理時(shí)的溫度分布：15表3 不同條件下溫度場計(jì)算結(jié)果序號(hào)溫度控制計(jì)算結(jié)果備注加熱中心（最高溫度點(diǎn)）加熱裝置中心焊縫中心(距根部100mm)保溫范圍加熱裝置兩端溫度位置(mm)外壁溫度()內(nèi)外壁溫差()外壁最高溫度()內(nèi)外壁溫差()外壁最高溫度()內(nèi)外壁溫差()區(qū)域(mm)長度(mm)接管座外壁()支管端()1支管單獨(dú)局部熱處理?？刂谱罡邷囟?00。加熱裝置寬200mm10070070070047.5152.5105578圖2加熱裝置寬400mm20070070067595305210541圖3加熱裝置寬400m

7、m控制支管最高溫度700247700568955925163331168256577圖44控制焊縫中心溫度700246824481547005a)290677圖3。溫度云圖見照片5加熱裝置寬200mm,控制最高溫度7001347006678767879517378266608圖5,6。溫度云圖見照片65個(gè)支管同時(shí)加熱。加熱裝置寬200mm?？刂谱罡邷囟?001277005688568858516984350360溫度云圖見照片7主管附加加熱。加熱裝置寬200mm，控制最高溫度7001097005699569955915899517517圖7,8。 溫度云圖見照片4a)外壁100392mm范圍溫

8、度超過700。2.2.2加熱裝置寬400mm時(shí)接管座焊縫溫度場特性從表3中可以看出，當(dāng)加熱裝置的寬度為400mm，即加熱中心與焊縫中心不重合時(shí)，兩者的溫差是很大的。當(dāng)控制支管上的最高溫度為700時(shí)，焊縫中心外壁僅592，與加熱中心溫差達(dá)108，焊縫中心不在670700保溫區(qū)內(nèi)（圖3）；當(dāng)控制安裝焊縫中心外壁溫度為700時(shí)，支管外壁的最高溫度達(dá)到824（圖4），該結(jié)果也與工程上實(shí)際測(cè)量的結(jié)果（表1）吻合良好。 圖3 加熱帶寬400mm支管軸向外壁溫度分布（控制焊縫中心700） 圖4 加熱帶寬400mm支管軸向外壁溫度分布（控制加熱中心700）2.2.3 加熱裝置寬200mm時(shí)接管座焊縫溫度場特性

9、 此時(shí)加熱裝置中心與焊縫中心重合。但由于支管在加熱裝置兩端的散熱條件不同，支管加熱的最高溫度位置在軸向朝背離接管座根部的方向偏移（圖5）。和相同規(guī)格的管子局部熱處理比，保溫區(qū)的寬度減小，加熱裝置兩端的溫差顯著增大。支管沿徑向的溫差見圖6，加熱中心和焊縫中心處分別為6.7和7.1。支管沿周向不存在溫差?？梢?，因散熱條件不同引起的溫度變化主要表現(xiàn)在支管的軸向。 圖5 加熱帶寬200mm支管軸向外壁溫度分布圖6 支管內(nèi)外壁溫差2.2.4 多管座溫度場特性與單管比，多管同時(shí)進(jìn)行熱處理時(shí)，接管座根部溫度提高，保溫范圍增加，加熱中心偏移量降低,焊縫中心與加熱中心的溫差減小，但最高溫度偏移現(xiàn)象仍未從根本上消

10、除。2.2.5 主管附加加熱時(shí)溫度場特性 主管附加加熱至接管座根部溫度到517時(shí)，加熱中心偏離焊縫中心的距離縮小至9mm，加熱中心與焊縫中心的溫差減少至1，外壁700670保溫區(qū)范圍擴(kuò)大至寬99mm，焊縫處于保溫區(qū)范圍內(nèi)?？梢姡鞴芨郊蛹訜岬男Ч呛苋婧兔黠@的。 圖7 主管附加加熱時(shí)支管軸向外壁的溫度分布 圖8 主管附加加熱時(shí)的內(nèi)外壁溫差 圖9 接管座根部溫度與熱流量的關(guān)系 圖10 接管座根部溫度和加熱中心與焊縫中心溫差的關(guān)系 圖11 接管座根部溫度與加熱中心偏移量的關(guān)系 圖12 接管座根部溫度與保溫區(qū)寬度的關(guān)系由于接管座安裝焊縫作局部熱處理時(shí)，支管沿軸向向外傳遞的熱量主要是通過接管座根部截

11、面進(jìn)行，接管座根部溫度是衡量主管附加加熱程度的重要參數(shù)，而且便于監(jiān)測(cè)，故可以接管座的根部溫度與各參數(shù)建立關(guān)系來分析主管加熱的效果。圖9-12表示接管座根部溫度與接管座根部截面中點(diǎn)的熱流量、加熱中心與焊縫中心的溫差、加熱中心偏移量和保溫區(qū)寬度等的關(guān)系。分析圖可看出，隨著接管座根部溫度升高，從接管座根部截面流出的熱量減少。當(dāng)接管座根部溫度達(dá)到或接近管子局部熱處理時(shí)加熱裝置端部的溫度，接管座根部截面流出的熱量將與管子局部熱處理時(shí)加熱裝置端部流出的熱量相當(dāng)?？梢姡鞴芨郊蛹訜峥捎行Ф糁浦?、支管因壁厚不同產(chǎn)生的焊縫兩側(cè)散熱不等。 分析圖1012可看出，隨著接管座根部溫度升高，加熱中心與焊縫中心的溫差減少

12、，加熱中心朝背離接管座根部方向的偏移量減少。當(dāng)接管座根部溫度接近管子局部熱處理時(shí)加熱裝置端部的溫度，兩者均趨近于零，即這時(shí)的焊縫中心溫度就是熱處理范圍內(nèi)的最高溫度。此外，接管座根部溫度升高時(shí)，接管座安裝焊縫熱處理的保溫區(qū)（670700）的寬度亦隨著增加。當(dāng)接管座根部溫度接近管子局部熱處理時(shí)加熱裝置端部的溫度，保溫區(qū)的寬度與管子局部熱處理時(shí)的保溫區(qū)寬度相當(dāng)?？梢姡鞴芨郊蛹訜釋?duì)遏制主、支管因壁厚不同產(chǎn)生的附加散熱的效果是全面的。據(jù)此，可參照支管單獨(dú)局部熱處理時(shí)的加熱裝置端部溫度，確定接管座根部加熱溫度。工程應(yīng)用時(shí)，加熱中心與焊縫中心溫差控制在±1以內(nèi)，加熱中心與焊縫中心的偏移控制在&#

13、177;7.5mm以內(nèi)，保溫區(qū)寬度占加熱裝置寬度的50%左右，工程上是完全可以接受的，則根據(jù)圖9-12及不同的主支管壁厚比，控制主管附加加熱溫度為520-580，可以滿足工程要求。2.2.6 主、支管壁厚比影響為研究不同規(guī)格主、支管搭配對(duì)溫度場的影響，將主、支管壁厚比作為控制參量進(jìn)行研究。選擇四種不同主管規(guī)格，支管規(guī)格均為76×17.5,材料為15CrMo，計(jì)算結(jié)果列入表4。 表4 主、支管壁厚比影響主管規(guī)格(12Cr1MoV)溫度控制主支管壁厚比接管座根部溫度 焊縫中心溫度 加熱中心與焊縫中心溫差 加熱中心偏移量 mm670700保溫區(qū)寬度 mm324×35加熱裝置寬20

14、0mm，控制最高溫度為7002.00286680203380.5324×502.86 266678223478700×704.002306722837751000×1005.71 214670303875700×70主管附加加熱。其它同上4.00540699.60.45100從表4看出，主、支管壁厚比從2.0增大到5.71，接管座根部的溫度和焊縫中心溫度都隨之下降，670700保溫區(qū)寬度縮小，而加熱中心與焊縫中心的溫差及加熱中心偏移量均隨之增大。說明主、支管壁厚比增大時(shí)，安裝焊縫熱處理的溫度分布將進(jìn)一步惡化，但變化趨勢(shì)并不很劇烈。圖13示出了主管附加加熱

15、時(shí)，支管沿軸向外壁的溫度分布，從圖中看出，主管附加加熱后，加熱裝置范圍的溫度分布將明顯改善，而且前述各項(xiàng)結(jié)論對(duì)主、支管不同壁厚比的情況同樣適用。 圖13 700×70主管附加加熱時(shí)的溫度分布2.2.7 材料及熱處理溫度影響不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)不同。本文分別用15CrMo和12Cr1MoV，通過對(duì)管子局部熱處理的熱分析進(jìn)行比較。管子規(guī)格為76×17.5，熱處理加熱裝置寬200mm，控制最高溫度700。計(jì)算結(jié)果表明，不同材料的影響主要反映在熱處理加熱時(shí)投入熱量的多寡，而對(duì)加熱裝置范圍內(nèi)的溫度分布影響甚微。15CrMo和12Cr1MoV鋼管子在加熱裝置范圍內(nèi)的溫度分布形狀相同，兩

16、端的溫度兩者分別為578和576，670700保溫區(qū)的寬度分別為105mm和104mm，差別可以忽略。不同的材料，要求不同的熱處理溫度。表5列出了不同熱處理溫度下的溫度場特性。計(jì)算時(shí)，主、支管的規(guī)格分別為324×50和76×17.5，材料均為12Cr1MoV鋼，加熱裝置寬200mm。 分析表5，主管未附加加熱時(shí)，熱處理溫度升高，加熱中心與焊縫中心的溫差增大，30保溫區(qū)的寬度減小，但變化均不大，而加熱中心的偏移量幾乎未變。說明熱處理溫度的影響甚微。主管附加加熱后，加熱裝置范圍的溫度分布將明顯改善(圖14)。它說明，不同熱處理溫度下，同樣可用主管附加加熱的措施來改善熱處理時(shí)的溫

17、度分布。表5 12Cr1MoV鋼不同熱處理溫度影響溫度控制支管最高溫度 接管座根部溫度 焊縫中心溫度 加熱中心與焊縫中心溫差 加熱中心偏移量 mm30保溫區(qū)范圍 mm30保溫區(qū)寬度 mm主管未附加加熱70027368218319117180720280701193192170.578.5750290730.519.53192.517077.578030176020319316976主管附加加熱780580779.50.568417894圖14 780熱處理溫度主管附加加熱下的溫度分布實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為進(jìn)一步檢驗(yàn)以上計(jì)算結(jié)果的正確性，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。主、支管材料均為12Cr1MoV,規(guī)格分別為

18、273×28和76×10，支管沿軸向分別距接管座根部0、100、130、160、200mm處裝置了5根鎧裝熱電偶（見照片5），測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)為15。第一組在支管距接管座根部30200mm范圍內(nèi)布置主繩狀加熱器，控制支管熱處理溫度；在支管030mm范圍及主管圍繞接管座根部呈裙?fàn)畈贾酶郊永K狀加熱器（見照片6），控制接管座根部附加加熱溫度。第二組在支管距接管座根部0200mm范圍內(nèi)布置主繩狀加熱器，控制支管熱處理溫度；在主管圍繞接管座根部呈裙?fàn)畈贾酶郊永K狀加熱器。在主、支管加熱區(qū)均外包石棉保溫層。實(shí)驗(yàn)分兩部分，首先單獨(dú)進(jìn)行主加熱器加熱，加熱速度300/h，待距接管座根部100mm處

19、的測(cè)點(diǎn)2溫度達(dá)700后保溫半小時(shí)時(shí)測(cè)量支管上的溫度分布，然后停爐冷卻。第二部分是主加熱器和附加加熱器聯(lián)合加熱，并分別用測(cè)點(diǎn)2作主加熱器的溫度控制點(diǎn)，控制溫度為700；用測(cè)點(diǎn)1作附加加熱器的溫度控制點(diǎn)；待溫度穩(wěn)定后測(cè)量支管上的溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列入表6。表6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果組別測(cè)點(diǎn)號(hào)12345距接管座根部距離 (mm)0100130160200第一組支管單獨(dú)加熱時(shí)的溫度 ()230700757740690主支管聯(lián)合加熱時(shí)的溫度()516700707702626第二組支管單獨(dú)加熱時(shí)的溫度 ()251700728711680主支管聯(lián)合加熱時(shí)的溫度()520700699671597從表6中可以看出，當(dāng)支管單獨(dú)加熱時(shí)，作為焊縫中心的測(cè)點(diǎn)2溫度為700，兩組中支管沿軸向朝背離接管座根部方向的測(cè)點(diǎn)3、4的溫度均超過700，說明加熱中心可能在測(cè)點(diǎn)3、4之間，即偏移焊縫中心在30mm以上。第一組加熱裝置中心與焊縫中心不重合，偏離量15mm，加熱中心的偏移比第二組更加劇列。主、支管的壁厚比達(dá)2.8，使加熱中心進(jìn)一步偏移。當(dāng)主支管聯(lián)合加熱時(shí)，對(duì)比主管附加加熱前后測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5的數(shù)據(jù)可明顯看出，附加加熱有效遏制了主加熱器向主管方向的散熱，焊