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大直径321不锈钢厚壁钢管焊前感应预热温度场的数值模拟

利用ANSYS软件建立了电磁感应加热的电磁-热耦合数值模型,对大直径321不锈钢厚壁钢管的焊前感应预热瞬态温度分布进行了模拟分析。研究了感应线圈中不同电流大小、频率以及不同感应加热方式作用下不锈钢管的温度分布情况,通过调节电流参数和感应加热作用方式使得感应预热后不锈钢管温度达到(120±10)℃的预热工艺要求。结果表明:采用间隔20s加热10s,且感应电流频率10kHz、大小750A的加热工艺为最佳感应预热工艺。

大口径不锈钢厚壁钢管是装备制造业中经常遇到的结构,广泛应用于食品、制药、化学和化工等领域。在其制造过程中,电弧焊接是最可靠的连接方式[1],然而电弧的热输入集中、不锈钢管局部加热和冷却速度快,焊后焊道容易出现应力集中甚至开裂,导致不锈钢管的使用性能和疲劳寿命严重降低。为了降低焊接应力及消除裂纹,需要对不锈钢管进行焊前预热。目前生产中常用的焊前预热方法有火焰加热和电阻加热两种方法。火焰加热方式使用简单,但不锈钢管氧化和环境污染严重。电阻加热方式依赖电阻丝或电阻片产生的热辐射或热传导来加热不锈钢管,其能量利用率较低[2]。近年来,电磁感应加热在焊前预热应用中逐步增多。感应加热的原理是在线圈感应器内通入一定频率的交变电流,线圈周围产生交变磁场,交变磁场切割不锈钢管,在不锈钢管内形成涡流,产生的焦耳热使得不锈钢管温度升高[3]。与传统加热方式相比,感应加热具有加热速度快,温度便于控制,成本低,节能环保,而且容易实现自动化等优点,因此对厚板厚壁钢管宜采用感应加热热处理方式进行焊前预热[4]。

国内外众多学者对不同金属材料感应加热的电磁和热过程进行了数值研究,取得了不少成果。MAO等[5]建立了316LN不锈钢管道的感应加热模型,分析了感应加热后电磁场和温度场的分布,比较了预制孔上有盖和无盖两种情况下管道的温度分布情况,发现在预制孔上加盖可以明显减小温度场的不均匀性。KRANJC等[6]利用有限元法计算了X5CrNi189不锈钢的感应加热温度场,比较了随温度变化的材料属性和独立材料属性对温度场的影响,通过实验与模拟结果对比可知,模拟误差主要取决于材料属性。SHEN等[7]基于FEMLAB有限元软件建立了钢板电磁-热耦合模型,得出了感应加热主要工艺参数对钢板表面温度的影响规律。赵敏等[8]对45钢坯锻造前的感应加热过程的温度场进行了数值分析,为感应加热线圈的设计和加热工艺的制定提供了理论基础。张洪亮[9]分析了电流密度、频率以及线圈间隙等工艺参数对45钢高频直缝焊管中频感应热处理温度场的影响。梁立凯等[10]模拟了304不锈钢柱状坯料在感应加热过程中的温度分布和变化规律,发现在快速加热阶段不锈钢管内外温差较大,并且径向大于纵向。然而,厚壁件在电弧焊前一般都开设有坡口,坡口的位置、大小以及形状影响不锈钢管感应预热温度的分布,研究厚壁不锈钢管的焊前预热问题必须考虑焊接坡口对导热的影响。目前,尚未见到有关感应焊前预热及焊接坡口在焊前预热过程中的影响规律的研究报道。

本工作以大直径321不锈钢厚壁筒件的焊前感应预热为研究对象,基于ANSYS软件建立厚壁厚壁钢管的感应加热电磁-热耦合模型,研究带有坡口的厚壁钢管焊前预热感应线圈电流参数、加热方式对温度场的影响,对比分析不同电流参数以及连续加热和间断加热后不锈钢管温度分布,得出最佳感应加热方案,满足焊前预热的要求。

1有限元模型

1.1电磁-热数学模型

本工作研究对象为321不锈钢厚壁钢管,其外径为2170mm,壁厚50mm。不锈钢管焊前首先沿径向开60°单V坡口,点焊固定,然后采用电磁感应预热,当不锈钢管坡口周围的温度达到预热要求后,再进行MIG对接焊。感应加热时将两匝线圈环绕在筒件外壁,线圈与筒件之间用厚10mm的保温棉相隔,不锈钢管及感应加热方式如图1所示。焊前预热工艺要求不锈钢管在感应加热后坡口中心线两侧120mm局部内的温度为(120±10)℃。

1.2边界条件及网格划分

在电磁场计算过程中,施加磁力线平行条件,保证管件中部的磁力线与筒件轴向平行。在温度场计算时,近远场空气单元都设为无效,只考虑不锈钢管温度场。不锈钢管处于流体介质中,与周围的空气之间存在对流换热,因此采用第三类边界条件λTxnx+λTyny+λTznz=βTα-T()s。(6)其中:β为表面换热系数(W·(m2·℃)-1);Tα为周围介质温度(℃);Ts为不锈钢管边界温度(℃)。由于焊前预热时坡口并未被熔融金属填充,因此需要考虑坡口处的传热问题。本研究中假设单V坡口两侧的钝边紧密接触,不存在热阻;V型坡口内物质为空气,只考虑不锈钢管外壁面与空气的对流导热。考虑到筒件的中心对称性,为了提高计算效率,将模型简化为二维模型进行计算。电磁场模型中采用plane233单元,计算过程中采用不均匀网格划分,其中线圈、保温棉、不锈钢管以及近场空气采用网格细化,远场空气采用较大网格自由划分,共有36330个节点,15943个单元。温度场模型中采用plane77单元,重新划分不锈钢管网格,划分结束后共有13361个节点,4300个单元。不锈钢管有限元网格的划分如图2所示。

1.3材料属性

材料属性是材料本身所具有的性能或特性,电磁场计算部分用到了材料的相对磁导率、电阻率,温度场计算部分用到了材料的导热系数、比热容、密度等材料属性。本工作中筒件为321不锈钢,其热物性参数具体值取自参考文献[11],线圈材料选用T3铜,其相对磁导率为1,电阻率为1.71×10-8Ω·m,空气相对磁导率为1,保温棉导热系数为0.03W·(m·k)-1。

2感应加热

温度场的模拟与分析基于电磁学及热传导理论,利用所建立的电磁-热模型,采用ANSYS计算中的“顺序耦合法”进行求解,即先进行电磁计算,再进行瞬态温度计算。计算时在不同时间间隔内重复电磁分析以减小材料热物性参数变化对计算结果的影响。为了达到感应预热要求温度,需要对电流参数和加热方式进行合理的设置。根据文献[12]中感应加热电流频率、大小的计算公式,为了达到本研究中不锈钢管感应预热工艺要求,线圈电流频率应在5~15kHz内,电流大小应在200~1000A内。初步设置电流频率分别为5、10kHz,电流大小为500、800A,依次进行焊前感应预热温度场试算分析,具体设置如表1所示。

2.不锈钢管坡口设置

为了研究坡口对温度场的影响,首先采用连续加热的方式进行表1中case1的模拟计算,得到不锈钢管坡口及附近的温度分布情况如图3所示。由图3(a)可知,不锈钢管开坡口后坡口两侧温度最高,在60~80℃之间,坡口内没有温度变化,这是由于坡口内为空气,只存在与坡口边缘处的对流换热作用,与实际情况相符。由图3(b)可知,不开坡口时不锈钢管在线圈正下方处温度最高,在80~110℃范围内,这是由于不开坡口意味着将坡口内空气设置为了不锈钢管属性,因此感应加热时此部分迅速升温,同时通过热传导作用影响不锈钢管周围部分的升温,增加周围不锈钢管的升温速率,影响不锈钢管的温度分布。因此在模拟计算时对模型进行开坡口处理是必要的。为了进一步研究感应加热方式对不锈钢管温度场的影响,模拟计算时设置连续感应加热和间断感应加热两种方式。

3.2连续加热方式

根据表1中的方案设置,采用连续加热的方式进行case1和case2的模拟计算,得到不锈钢管的温度分布情况如图4所示。为了观察内外壁温度,只显示留三维模型的四分之三部分。

 

由图4(a)可知,当电流频率为5kHz,电流大小为500A时,感应加热500s后不锈钢管温度场稳定,其内外表面温度均在80℃以下,未达到预热要求。由图4(b)可知,当电流频率为5kHz,电流大小为800A时,感应加热500s后不锈钢管温度场稳定,不锈钢管内部温度在110~130℃范围内,但不锈钢管外表面温度已经超过130℃,超出要求的温度范围,因此case1和case2不是合理的方案。图中反映出的内外表面温差较大的问题是由于采用连续加热的方式导致的,由于线圈作用在不锈钢管的外表面,感应加热时存在严重的集肤现象,不锈钢管外表面升温快,而内表面则主要是依靠外表面的热传导作用,升温速度慢。连续作用的加热方式使得不锈钢管受热不均匀,不锈钢管内外表面存在很大的温度差,因此考虑将加热方式更换为间断加热方式,根据常用感应加热方式,将停止加热的间隔时间设置为20s。

2.3间断加热方式

设置感应间隔20s加热10s的间断加热模式,分别采用表1中的case3和case4进行计算分析,即固定电流频率为10kHz,电流分别采用500A和800A进行计算,1500s后不锈钢管温度场稳定,结果如图5所示。

由图5(a)可知,当电流频率为10kHz,电流大小为500A时,坡口两侧250mm范围内不锈钢管的温度升高,最高温度出现在坡口两侧85mm内,为80℃,达不到工艺要求。由图5(b)可知,当电流大小为800A时,坡口两侧470mm范围内不锈钢管的温度升高,温度在坡口两侧分布对称,且随着与坡口处距离的增加而递减,最高温度出现在坡口两侧125mm范围内,已超过130℃,不满足工艺要求,因此再次调整模拟方案,将电流减小至700A。图6为电流频率为10kHz、电流大小为700A(case5)第1500s时不锈钢管的温度分布。由图可知,坡口两侧480mm内的不锈钢管温度升高,坡口两侧宽度50mm、深度38mm内的不锈钢管温度最高,在110~130℃范围内。不锈钢管内部温度在110℃以下,内外温差严重,这是由于感应加热的集肤效应,不锈钢管外表面升温迅速,从外表面到内表面温度梯度较大,这种温度梯度容易引起应力集中,因此再次调整方案,通过改变线圈电流大小来改善不锈钢管内的热传导作用,从而减小内外温差。比较图5(b)和图6可知,当电流为800A时不锈钢管温度超过工艺要求,当电流为700A时不锈钢管温度达不到工艺要求,因此将电流调节至750A(case6)再次进行计算,结果如图7所示。由图7(a)可知,当电流频率为10kHz,电流大小为750A时,坡口两侧500mm内不锈钢管温度升高,不锈钢管内外壁受热均匀,这是由于增大电流后不锈钢管表面涡流增大,从而使得热传导作用增强,内外壁温差减小。由图7(b)可知,坡口两侧128mm范围内不锈钢管温度在110~130℃之间,越远离坡口处温度越低,这是因为坡口位于线圈的正下方,感应加热作用最强,越远离坡口的位置感应作用越弱。

为了更好的分析温度随时间的变化情况,做出图7(b)中1、2、3点温度随时间变化的曲线,如图8所示。由图8可知,内外壁升温阶段均为非线性曲线,升温速率从外壁往内部逐渐递减。当达到最高温度后,加热停止,不锈钢管与外部空气进行热交换,此时整个不锈钢管温度都快速下降,并且各点温度下降曲线一致,降温速率均随着温度的降低而减小,这是由于不锈钢管温度越高,与周围空气的热传导和对流换热越严重,温度下降速率越快。当不锈钢管与周围空气之间的温差减小时,对应的导热与换热作用也减小,在图8中表现为降温曲线越来越平缓。在此种加热方式作用下,不锈钢管外壁最高温度为124℃,中部最高温度为120℃,内壁最高温度为116℃,内外壁温度均满足要求,并且温差较小,说明间隔20s加热10s这种加热方式能很好地实现感应加热时不锈钢管外部往内部的热传导,同时线圈电流频率为10kHz、电流大小为750A能很好地满足温度工艺要求,为最佳方案。为了验证模拟结果的正确性,使用点焊的方式将K型镍铬-镍硅热电偶固定在图7(b)中所示的点1位置,测出在最佳感应加热方案条件下点1处的实际温度变化曲线,并与模拟温度变化曲线进行对比,如图9所示。结果表明:模拟结果与实验数据较吻合,数值分析结果可以有效地预测焊前感应预热温度场变化。不锈钢管降温阶段的模拟值与实验值存在一定误差,误差产生的原因可能是模拟过程中材料热物性参数的设置与实际值存在偏差。

为了比较不锈钢管开坡口时与未开坡口时的温度分布情况,选用最佳工艺方案(case6)对未考虑坡口时的不锈钢管进行焊前预热温度场进行模拟,得到如图10所示的温度分布。比较图10(b)和图7(b)可知,不锈钢管未开坡口时最高温度超过130℃,且不锈钢管整体温度比开坡口时高出约30℃。由此可知,坡口对不锈钢管温度的分布及大小影响很大,因此焊前感应预热模拟时必须要考虑坡口的存在。

3结语

通过改变电流参数(电流频率、电流大小)和感应加热方式,模拟计算了321不锈钢在不同参数下的感应预热温度分布。通过比较可知当电流频率为10kHz、电流大小为750A,采用间隔20s加热10s的加热方式时,不锈钢管外壁最高温度为124℃,内壁最高温度为116℃,内外温差小,温度满足要求,此为最佳的感应加热工艺方案。比较了在最佳工艺方案作用下筒件考虑坡口与不考虑坡口时的温度分布,证明了感应预热模拟时对筒件开坡口处理的必要性。

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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