CN108009329A - 一种确定9%Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，可保证工艺评定管道焊后热处理时的内外壁温差与现场长管道焊后热处理时的内外壁温差值相比不超过10％，用该方法确定9％Cr热强钢管道工艺评定中管道最小长度，可以在保证工艺评定准确性的前提下，避免人力和物力的浪费。可用于指导P91、P92等9％Cr马氏体热强钢管道焊后热处理工艺评定时管道长度的选取，以保证9％Cr热强钢焊接工艺评定结果的有效性和准确性，保障9％Cr热强钢管道现场施工质量，具有重要的工程指导价值。

Description

一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的 方法

技术领域

本发明属耐热钢焊接技术领域，具体涉及一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法。

背景技术

由于具有优异的抗高温蠕变性能和抗氧化性能，以P91、P92钢为代表的9％Cr马氏体热强钢在超(超)临界火电机组被广泛使用。焊缝冲击韧性低是9％Cr热强钢焊接时的一个突出问题，因此这类钢在焊接后必须进行焊后热处理以改善组织，提高韧性。9％Cr热强钢管道在施工前要先进行焊接工艺评定，以验证拟定的焊接工艺能否焊出合乎质量要求的焊接接头，焊接工艺评定必须反映施工的具体条件。在火电机组安装中，9％Cr热强钢管道通常很长，大多在5m以上。受加工条件和材料成本的限制，希望尽可能缩短工艺评定时的管道长度。缩短长度将使散热条件发生改变，在相同的热处理工艺下，由于加热装置一般只能布置在管道外壁焊缝及附近部分母材，短管道由于散热面积小，其在焊后热处理时的内壁温度较长管道高。而9％Cr热强钢焊缝韧性对热处理温度非常敏感，故用短管道进行工艺评定得到的内壁焊缝韧性值很可能明显高于现场长管道焊后热处理后内壁焊缝韧性值，即可能出现过估的情况。因此，目前工程中选取较短的9％Cr热强钢管道进行焊接工艺评定的结果不能准确评价所拟定的焊接工艺能否用于实际生产。由于焊接工艺评定的工作量很大，焊接工艺评定的管道长度如果选取的太长，不仅造成材料的浪费，而且造成人力的浪费。为此，有必要提出一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，在保证工艺评定结果有效性和准确性的前提上，避免人力和物力的浪费。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术所存在的技术问题，提供了一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，用该方法确定9％Cr热强钢管道工艺评定中管道最小长度，可以在保证工艺评定准确性的前提下，避免人力和物力的浪费。本发明提出的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度方法基于以下原则：保证工艺评定管道焊后热处理时的内外壁温差与现场长管道焊后热处理时的内外壁温差值相比不超过10％。

本发明的原理为使用申请号为2017107264076的发明专利“一种9％Cr热强钢管道焊后热处理加热功率计算方法”中建立的9％Cr热强钢管道焊后热处理温度场计算模型，计算M组不同规格(管径和壁厚)9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道热处理内外壁温差数据。根据计算结果确定管道长度与管道规格(管径和壁厚)和热处理内外壁温差的关系，通过双线性插值的方法得到不同规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、9％Cr热强钢管道焊后热处理内外壁温差计算模块：通过有限元法计算M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据；

步骤2、管道长度与热处理内外壁温差数学模型确定模块：根据步骤1中得到的M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据，使用拉格朗日插值方法确定M组不同规格9％Cr热强钢管道长度与焊后热处理内外壁温差关系的数学模型；

步骤3、任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度确定模块：通过步骤2中得到的管道长度与焊后热处理内外壁温差关系的数学模型，使用双线性差值的方法得到任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度。

所述步骤1中，9％Cr热强钢管道焊后热处理内外壁温差计算模块建立的具体方法如下：

步骤1.1、根据9％Cr热强钢管道在我国火电机组中的实际使用情况，确定我国火电机组中常用9％Cr热强钢管道的管径范围为300-1500mm，壁厚范围为30-150mm，在此范围内均匀选取M组不同管径和壁厚的9％Cr热强钢管道；

步骤1.2、根据施工依据的焊后热处理标准(如中华人民共和国电力行业标准DL/T819-2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》)，确定步骤1.1中选取的M组不同规格管道的焊后热处理参数：加热宽度、保温宽度、升温/降温速度和控温温度；

步骤1.3、对于步骤1.1中选取的M组9％Cr热强钢管道，按照步骤1.2中确定的热处理参数，使用9％Cr热强钢管道焊后热处理温度场计算模型计算N组管道长度时的焊后热处理内外壁温差。

所述步骤2中，管道长度与焊后热处理内外壁温差数学模型确定模块建立的具体方法如下：

步骤2.1，对于步骤1中得到的M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下的焊后热处理内外壁温差数据，记对于管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道，当管道长度为l_i(i＝1,…17)时的焊后热处理内外壁温差为g(l_i)，任意管道长度l时，焊后热处理内外壁温差的拉格朗日插值多项式函数P(l)为:

其中，

步骤2.2，记实际管道长度L₀，那么根据保证工艺评定管道焊后热处理时的内外壁温差与现场长管道焊后热处理时的内外壁温差值相比不超过10％的原则，该规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L为：

L＝g^-1(0.9P(L₀)) (3)。

所述步骤3中，任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度确定模块建立的具体方法如下：

记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度为L，即L＝f(D，δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤1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)，其工艺评定中管道最小长度分别为L₁、L₂、L₃、L₄，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L*为：

所述步骤3中利用双线性插值法计算管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道工艺评定中管道最小长度L*的具体过程如下：

对管径进行线性插值：

对壁厚进行插值：

将(5)中结果带入(6)得到管道最小长度为：

本发明具有如下优点：

本发明提供了一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，可用于指导P91、P92等9％Cr马氏体热强钢管道焊后热处理工艺评定时管道长度的选取，以保证9％Cr热强钢焊接工艺评定结果的有效性和准确性，避免人力和物力的浪费，保障9％Cr热强钢管道现场施工质量，具有重要的工程指导价值。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

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，一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，包括以下步骤：

步骤1、9％Cr热强钢管道焊后热处理内外壁温差计算模块：通过有限元法计算M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据，具体过程为：

步骤1.1、根据9％Cr热强钢管道在我国火电机组中的实际使用情况，确定我国火电机组中常用9％Cr热强钢管道的管径范围为300-1500mm，壁厚范围为30-150mm，在此范围内均匀选取M＝64组不同管径和壁厚的9％Cr热强钢管道；

步骤1.2、根据施工依据的焊后热处理标准(如中华人民共和国电力行业标准DL/T819-2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》)，确定步骤1.1中选取的M＝64组管道的焊后热处理参数(加热宽度W_h、保温宽度W_s、升温/降温速度和控温温度)；

步骤1.3、对于步骤1.1中选取的M＝64组9％Cr热强钢管道，按照步骤1.2中确定的焊后热处理参数，使用9％Cr热强钢管道焊后热处理温度场计算模型分别计算管道长度为W_h+300mm、W_h+600mm、…、W_h+5100mm(因实际管道长度多为5m左右，取管长为5100mm，每组增加300mm，共分为17组)的焊后热处理内外壁温差；

步骤2、管道长度与焊后热处理内外壁温差关系数学模型确定模块：根据步骤1中得到的M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据，使用拉格朗日插值方法确定M组不同规格9％Cr热强钢管道长度与焊后热处理内外壁温差数学模型，具体过程为：

步骤2.1，根据步骤1中得到的管道长度为l_i(i＝1,…17)时的焊后热处理内外壁温差g(l_i)数据，建立任意管道长度l时，焊后热处理内外壁温差的拉格朗日插值多项式函数P(l):

其中，

步骤2.2、记实际管道长度L₀，那么该规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L为：

L＝g^-1(0.9P(L₀)) (10)

步骤3、任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度确定模块：通过步骤2中得到的M组规格管道长度与焊后热处理内外壁温差数学模型，使用双线性差值的方法得到任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度，具体方法为:

记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度为L，即L＝f(D，δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤1.1中的M＝64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)，其工艺评定中管道最小长度分别为L₁、L₂、L₃、L₄，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L*为：

所述步骤3中利用双线性插值法计算管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道工艺评定中管道最小长度L*的过程如下：

对管径进行线性插值：

对壁厚进行插值：

将(12)中结果带入(13)得到工艺评定中管道最小长度为：

本发明方法中选取管道尺寸(管径和壁厚)为输入参数，适用的范围如下：

管道材料：9％Cr热强钢；

管道内径：300mm-1500mm；

管道壁厚：30mm-150mm。

根据本发明提出的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，得到规格为φ983×33mm的P91管道焊接工艺评定时的最小长度为2150mm。为了验证本发明方法的准确性，将该规格管道焊后热处理时的内外壁温差与实际长管道(5000mm)焊后热处理时的内外壁温差进行了对比，结果如表1所示。

表1采用本发明方法确定最小长度管道与实际长管道焊后热处理时内外壁温差数据的比较

计算结果表明，用本发明提出一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法得到的最小长度管道进行工艺评定时的焊后热处理内外壁温差与实际长管道焊后热处理的内外壁温差相差很小(小于10％)，表明使用本发明方法可以有效地保证9％Cr热强钢管道焊接工艺评定的精度，对于确保施工质量、保障火力发电机组长时间的安全稳定运行具有重要意义。

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 (5)

1.一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、9％Cr热强钢管道焊后热处理内外壁温差计算模块：通过有限元法计算M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据；

步骤2、管道长度与热处理内外壁温差数学模型确定模块：根据步骤1中得到的M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下，管道焊后热处理内外壁温差数据，使用拉格朗日插值方法确定M组不同规格9％Cr热强钢管道长度与焊后热处理内外壁温差关系的数学模型；

步骤3、任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度确定模块：通过步骤2中得到的管道长度与焊后热处理内外壁温差关系的数学模型，使用双线性差值的方法得到任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度。

2.如权利要求1所述的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，所述步骤1中，9％Cr热强钢管道焊后热处理内外壁温差计算模块建立的具体方法如下：

步骤1.1、根据9％Cr热强钢管道在我国火电机组中的实际使用情况，确定我国火电机组中常用9％Cr热强钢管道的管径范围为300-1500mm，壁厚范围为30-150mm，在此范围内均匀选取M组不同管径和壁厚的9％Cr热强钢管道；

步骤1.2、根据施工依据的焊后热处理标准，确定步骤1.1中选取的M组不同规格管道的焊后热处理参数：加热宽度、保温宽度、升温/降温速度和控温温度；

步骤1.3、对于步骤1.1中选取的M组9％Cr热强钢管道，按照步骤1.2中确定的热处理参数，使用9％Cr热强钢管道焊后热处理温度场计算模型计算N组管道长度时的焊后热处理内外壁温差。

3.如权利要求1所述的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，所述步骤2中，管道长度与焊后热处理内外壁温差数学模型确定模块建立的具体方法如下：

步骤2.1，对于步骤1中得到的M组不同规格9％Cr热强钢管道，在N组管道长度条件下的焊后热处理内外壁温差数据，记对于管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道，当管道长度为l_i(i＝1,…17)时的焊后热处理内外壁温差为g(l_i)，任意管道长度l时，焊后热处理内外壁温差的拉格朗日插值多项式函数P(l)为:

<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>k</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，

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步骤2.2，记实际管道长度L₀，根据保证工艺评定管道焊后热处理时的内外壁温差与现场长管道焊后热处理时的内外壁温差值相比不超过10％的原则，该规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L为：

L＝g^-1(0.9P(L₀)) (3)。

4.如权利要求1所述的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，所述步骤3中，任意规格9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度确定模块建立的具体方法如下：

记管径为D，壁厚为δ的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度为L，即L＝f(D，δ)，对于管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道，在步骤1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)，其工艺评定中管道最小长度分别为L₁、L₂、L₃、L₄，根据双线性插值方法，管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道焊接工艺评定中管道最小长度L*为：

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5.如权利要求4所述的一种确定9％Cr热强钢管道焊接工艺评定最小管道长度的方法，其特征在于，所述步骤3中利用双线性插值法计算管径为D*，壁厚为δ*的9％Cr热强钢管道工艺评定中管道最小长度L*的具体过程如下：

对管径进行线性插值：

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对壁厚进行插值：

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将(5)中结果带入(6)得到管道最小长度为：

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