CN107688700B - 一种9%Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法 - Google Patents

一种9%Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，包括以下步骤：步骤1、计算M组不同规格9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度；步骤2、据步骤1中获得的M组不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热宽度，计算该M组管道在焊后热处理过程中加热器的热流密度，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型；步骤3、建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型。本发明能够快速、精确的获取不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理所需要的加热功率，便于现场安装，从而保证焊后热处理质量，具有提高焊后热处理效率，节约材料和能源等优点。

Description

一种9%Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种9％Cr热强钢管道接头焊后热处理加热功率计算方法。
背景技术
9％Cr热强钢是一种广泛应用于超(超)临界火力发电机组主蒸汽管道、集箱、过热器等重要高温部件的新型马氏体耐热钢，代表性牌号有T/P91钢、T/P92 钢、T/P93钢和E911钢等。9％Cr热强钢在焊接后必须进行高温焊后热处理以改善焊缝韧性和消除残余应力。9％Cr钢含有较高的合金元素，其耐回火性高，焊后热处理温度需要达到760±10℃以上。在进行现场焊后热处理时，一般需要根据管道规格定做加热器。如果加热器的最大加热功率不足，焊接接头就无法加热到所需的焊后热处理温度。因此，在定做加热器前，需估算加热器的最大加热功率。目前，工程施工中有的根据预先模拟试验确定加热器功率，耗费大量时间和财力；有的根据相近规格管道的施工经验估算加热器功率，但是由于管道规格的差异，容易出现过估或低估情况了，过估造成较大的浪费，低估则无法满足焊后热处理要求，影响焊后热处理质量。
发明内容
本发明主要为解决现有技术无法准确估计不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的技术问题，提供一种精确计算不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的方法，从而保证焊后热处理质量，提高焊后热处理效率，节约材料和能源。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、焊后热处理加热宽度计算模块：计算M组不同规格9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度；
步骤2、热流密度计算模块：根据步骤1中获得的M组不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热宽度，计算该M组不同规格9％Cr热强钢管道在焊后热处理过程中加热器的热流密度，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr 热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型；
步骤3、针对步骤2中建立的任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度数学模型，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型。
所述步骤1中，计算M组不同规格9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度，具体过程如下：
在管径范围为100-1500mm，壁厚范围为10-150mm内，均匀选取M组9％Cr 热强钢管道规格，根据9％Cr热强钢管道焊后热处理时管道内、外壁温差不大于 20℃的要求，使用牛顿迭代法计算需要的焊后热处理加热宽度：
步骤1.1、对于M组不同规格9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，使用有限元软件建立9％Cr热强钢焊后热处理温度场有限元计算模型，计算求解 9％Cr热强钢焊后热处理温度场分布；
步骤1.2，对于M组不同规格9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，加热宽度为h时，焊后热处理内外壁温差ΔT＝f(h)，对函数f(h)选取两个初值
Figure BDA0001386121570000021
h1＝2h0，对于k＝1，…，M，有限元计算模型执行如下:
第一步、计算
Figure BDA0001386121570000022
第二步、若|f(hk+1)|<20，则停止计算，取h*＝hk+1；否则进入第三步；
第三步、若k＝M，则输出M次迭代不成功的信息；否则继续；
h*即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道需要的焊后热处理加热宽度。
所述步骤2中，任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型的建立过程如下：
步骤2.1，对于步骤1中M组不同规格9％Cr热强钢管道，根据步骤1中获得的焊后热处理加热宽度，使用有限元软件建立焊后热处理过程温度场有限元计算模型；
步骤2.2，对步骤2.1中的有限元计算模型施加焊后热处理边界条件、初始温度，并进行求解；
步骤2.3，使用有限元软件后处理模块读取焊后热处理过程中加热器的热流密度；
步骤2.4，使用双线性插值的方法，在步骤2.2中获得的M组不同规格9％Cr 热强钢管道焊后热处理加热器热流密度数据的基础上，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器的热流密度数学模型。
所述步骤3中，任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型的建立过程如下：
步骤3.1，根据施工经验以及计算结果确定9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的安全系数η取值1.2；
步骤3.2，对于管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道，根据步骤2中得到的加热器热流密度q，计算焊后热处理所需要的加热功率Q为：
Q＝ηqS (2)
式中，S为9％Cr热强钢管道热处理时覆盖加热器面积，S＝πhD (3)，
其中h为加热宽度，由此得：
Q＝1.2πqhD (4)
Q即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道接头焊后热处理加热功率。
所述步骤2.4中，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器的热流密度数学模型的具体过程如下：
记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊后热处理加热器热流密度为q，即q＝f(D,δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤2.3中的 M组不同规格管道中选取与管径D*和壁厚δ*最接近的4组管道，记其管径和壁厚分别(D1,δ1)、(D1,δ2)、(D2,δ1)、(D2,δ1)，其焊后热处理加热器热流密度分别为 q1、q2、q3、q4，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊后热处理中加热器热流密度q*为：
Figure BDA0001386121570000041
所述步骤2.4中利用双线性插值法计算管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道中加热器热流密度q*的过程如下：对管径进行线性插值：
Figure BDA0001386121570000042
对壁厚进行插值：
Figure BDA0001386121570000043
将(6)中结果带入(7)得到热流密度q*：
Figure BDA0001386121570000044
本发明具有如下优点：
本发明能够快速、精确的获取不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理所需要的加热功率，便于现场安装，从而保证焊后热处理质量，具有提高焊后热处理效率，节约材料和能源等优点。
附图说明
图1本发明中运用的9％Cr热强钢焊后热处理加热功率计算流程图；
图2本发明中运用的9％Cr热强钢焊后热处理加热宽度计算流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、焊后热处理加热宽度计算模块：计算M组不同规格(管径和壁厚) 9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度；如图2所示：
在管径范围为100-1500mm，壁厚范围为10-150mm内，均匀选取M组9％Cr 热强钢管道规格，根据9％Cr热强钢管道焊后热处理时管道内、外壁温差不大于 20℃的要求，使用牛顿迭代法计算需要的焊后热处理加热宽度：
步骤1.1、对于M组不同规格(记管径为D，壁厚为δ)9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，使用有限元软件(如ANSYS软件)建立9％Cr热强钢焊后热处理温度场有限元计算模型，计算求解9％Cr热强钢焊后热处理温度场分布；
步骤1.2，对于M组不同规格9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，加热宽度为h时，焊后热处理内外壁温差ΔT＝f(h)，对函数f(h)选取两个初值
Figure BDA0001386121570000051
h1＝2h0，对于k＝1，…，M，有限元计算模型执行如下:
第一步、计算
Figure BDA0001386121570000052
第二步、若|f(hk+1)|<20，则停止计算，取h*＝hk+1；否则进入第三步；
第三步、若k＝M，则输出M次迭代不成功的信息；否则继续；
h*即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道需要的焊后热处理加热宽度。
步骤2、热流密度计算模块：根据步骤1中获得的M组不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热宽度，计算该M组不同规格9％Cr热强钢管道在焊后热处理过程中加热器的热流密度，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr 热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型；
步骤2.1，对于步骤1中M组不同规格9％Cr热强钢管道，根据步骤1中获得的焊后热处理加热宽度，使用有限元软件建立焊后热处理过程温度场有限元计算模型；
步骤2.2，对步骤2.1中的有限元计算模型施加焊后热处理边界条件、初始温度，并进行求解；
步骤2.3，使用有限元软件后处理模块读取焊后热处理过程中加热器的热流密度；
步骤2.4，使用双线性插值的方法，在步骤2.2中获得的M组不同规格9％Cr 热强钢管道焊后热处理加热器热流密度数据的基础上，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器的热流密度数学模型：
记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊后热处理加热器热流密度为q，即q＝f(D,δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤2.3中的 M组不同规格管道中选取与管径D*和壁厚δ*最接近的4组管道，记其管径和壁厚分别(D1,δ1)、(D1,δ2)、(D2,δ1)、(D2,δ1)，其焊后热处理加热器热流密度分别为 q1、q2、q3、q4，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊后热处理中加热器热流密度q*为：
对管径进行线性插值：
Figure BDA0001386121570000061
对壁厚进行插值：
Figure BDA0001386121570000071
将(6)中结果带入(7)得到热流密度q*：
Figure BDA0001386121570000072
步骤3、针对步骤2中建立的任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度数学模型，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型：
步骤3.1，根据施工经验以及计算结果确定9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的安全系数η取值1.2；
步骤3.2，对于管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道，根据步骤2中得到的加热器热流密度q，计算焊后热处理所需要的加热功率Q为：
Q＝ηqS (2)
式中，S为9％Cr热强钢管道热处理时覆盖加热器面积，S＝πhD (3)，其中h为加热宽度，将式(3)带入式(1)得：
Q＝1.2πqhD (4)
Q即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道接头焊后热处理加热功率。
本发明中选取管道尺寸(管径和壁厚)、预设内外壁温差、焊后热处理环境温度以及控温温度作为输入参数，适用的范围如下：
管道材料：9％Cr热强钢；加热方法：柔性陶瓷电阻加热；
管道内径(半径)：100mm-1500mm；管道壁厚：10mm-150mm。
具体实施例如下：
将本发明一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的计算方法与实测的加热功率进行对比：
首先将表1所示规格的9％Cr热强钢钢管道管径和壁厚输入到模型中进行计算：
表1试验用9％Cr热强钢管道规格
序号 管径/mm 壁厚/mm
1 426 65
根据步骤1在M组不同规格9％Cr热强钢管道中选取与试验管道规格最接近的4组管道规格，相应的焊后热处理中加热器热流密度列于表2：
表2四组规格近似管道热流密度
管道规格/mm 热流密度/kW·m<sup>2</sup>
φ300×50 23.5
φ300×70 33.0
φ500×50 31.7
φ500×70 41.2
φ426×65 35.7
根据步骤3可以求出对于该规格管道焊后热处理加热功率为40.3KW，另外通过实验测量焊后热处理加热功率的大小，验证计算模型的精度。本实施例中用本发明加热功率计算方法所得的结果与实测结果的比较如表3所示。
表3采用本发明方法计算结果与实测数据进行比较
序号 本发明方法/kW 实测值/kW 相对误差/％
1 40.3 35.6 13.2％
由表3对比结果表明，用本发明提出的9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法得到的加热功率能够满足实际施工时9％Cr热强钢焊后热处理要求，并留有一定的安全余量，解决了9％Cr热强钢现场安装时焊后热处理功率难以确定的问题，对于保证施工质量、节省成本和时间具有显著价值。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (3)

1.一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、焊后热处理加热宽度计算模块：计算M组不同规格9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度；
步骤2、热流密度计算模块：根据步骤1中获得的M组不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热宽度，计算该M组不同规格9％Cr热强钢管道在焊后热处理过程中加热器的热流密度，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型；
步骤3、针对步骤2中建立的任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度数学模型，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型；
所述步骤1中，计算M组不同规格9％Cr热强钢管道所需的焊后热处理加热宽度，具体过程如下：
在管径范围为100-1500mm，壁厚范围为10-150mm内，均匀选取M组9％Cr热强钢管道规格，根据9％Cr热强钢管道焊后热处理时管道内、外壁温差不大于20℃的要求，使用牛顿迭代法计算需要的焊后热处理加热宽度：
步骤1.1、对于M组不同规格9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，使用有限元软件建立9％Cr热强钢焊后热处理温度场有限元计算模型，计算求解9％Cr热强钢焊后热处理温度场分布；
步骤1.2，对于M组不同规格9％Cr热强钢管道，记管径为D，壁厚为δ，加热宽度为h时，焊后热处理内外壁温差ΔT＝f(h)，对函数f(h)选取两个初值
Figure FDA0002564952270000011
h1＝2h0，对于k＝1，…，M，有限元计算模型执行如下:
第一步、计算
Figure FDA0002564952270000012
第二步、若|f(hk+1)|＜20，则停止计算，取h*＝hk+1；否则进入第三步；
第三步、若k＝M，则输出M次迭代不成功的信息；否则继续；
h*即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道需要的焊后热处理加热宽度；
所述步骤2中，任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器热流密度计算模型的建立过程如下：
步骤2.1，对于步骤1中M组不同规格9％Cr热强钢管道，根据步骤1中获得的焊后热处理加热宽度，使用有限元软件建立焊后热处理过程温度场有限元计算模型；
步骤2.2，对步骤2.1中的有限元计算模型施加焊后热处理边界条件、初始温度，并进行求解；
步骤2.3，使用有限元软件后处理模块读取焊后热处理过程中加热器的热流密度；
步骤2.4，使用双线性插值的方法，在步骤2.2中获得的M组不同规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热器热流密度数据的基础上，建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器的热流密度数学模型；
所述步骤3中，任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算模型的建立过程如下：
步骤3.1，根据施工经验以及计算结果确定9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率的安全系数η取值1.2；
步骤3.2，对于管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道，根据步骤2中得到的加热器热流密度q，计算焊后热处理所需要的加热功率Q为：
Q＝ηqS (2)
式中，S为9％Cr热强钢管道热处理时覆盖加热器面积，S＝πhD(3)，
其中h为加热宽度，由此得：
Q＝1.2πqhD (4)
Q即为管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道接头焊后热处理加热功率。
2.如权利要求1所述的一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，其特征在于：所述步骤2.4中，使用双线性插值的方法建立任意规格9％Cr热强钢管道焊后热处理过程中加热器的热流密度数学模型的具体过程如下：
记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊后热处理加热器热流密度为q，即q＝f(D,δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤2.3中的M组不同规格管道中选取与管径D*和壁厚δ*最接近的4组管道，记其管径和壁厚分别(D1,δ1)、(D1,δ2)、(D2,δ1)、(D2,δ1)，其焊后热处理加热器热流密度分别为q1、q2、q3、q4，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊后热处理中加热器热流密度q*为：
Figure FDA0002564952270000031
3.如权利要求2所述的一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法，其特征在于：所述步骤2.4中利用双线性插值法计算管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道中加热器热流密度q*的过程如下：对管径进行线性插值：
Figure FDA0002564952270000032
对壁厚进行插值：
Figure FDA0002564952270000033
将(6)中结果带入(7)得到热流密度q*：
Figure FDA0002564952270000041
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