CN108319740A - 压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于包括：1)采用高斯分布的双椭球体热源模型作为燃烧器燃烧火焰的热源形式；2)根据实际的消耗的油/气量计算热源有效功率；3)获取燃烧器不同开度下的升温曲线；4)调用温度计算模块进行热处理温度场计算，得到升温曲线计算结果，与3)的升温曲线测试结果对比，使误差最小，从而确定双椭球体热源模型参数，进行建模。本发明克服了经验法引起的温度的较大波动和热处理时间的延长，定量反映了热处理传热机理、燃烧器、压力容器结构参数对热处理温度场的影响，为热处理工艺的设计提供理论依据。

Description

压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法
技术领域
本发明涉及的是一种压力容器热处理温度场数值模型建立方法，特别是涉及一种立式压力容器內燃法整体热处理过程温度场数值计算模型建立方法。
背景技术
压力容器制造过程中，为消除焊后残余应力、改变钢的内部组织结构以提高钢的性能，需要对压力容器进行焊后热处理，通常情况下压力容器焊后热处理方式采用制造后炉内整体热处理工艺。对于压力容器,由于受到运输条件的限制,一般选择分片到货、现场组焊的加工制作方式。压力容器现场焊后热处理的方法主要为內燃法热处理，即在工件腔体底部或其它部位设置高效燃油/气喷嘴，通过油/气加热提供加热热量的热处理方式。内燃法热处理工艺由于受到容器外形尺寸大、现场条件复杂等因素制约，在热处理过程中温度不容易控制，导致热处理后产品质量无法得到保证。
目前，压力容器內燃法热处理温度的控制主要依据经验积累值来实施热处理过程加热的调节，即通过实践过程中积累的压力容器温度场经验值来制定热处理工艺曲线，改变控制热处理的升温速度、温度均匀性。由于压力容器尺寸大、长径比(压力容器高度与直径的比值)大，而且内燃法工艺参数众多(包括燃烧器功率、燃烧介质、开度、加热位置等)等因素，经验法存在热处理过程中的容器实际温度与所需热处理温度波动较大、热处理时间延长等缺点，难于满足压力容器热处理工艺要求的热处理温度均衡性和热量要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压力容器内燃法立式整体热处理温度场的建模方法，将数值模拟技术、燃烧器开度试验数据与燃烧火焰的热源模型参数结合，实现压力容器立式整体热处理温度的精确预测和控制，从而提高压力容器焊后热处理质量。
为实现上述目的，本发明提供一种压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于包括如下步骤：
1)采用高斯分布的双椭球体热源模型作为燃烧器燃烧火焰的热源形式；
2)根据实际的消耗的油/气量计算热源有效功率；
3)获取燃烧器不同开度下的升温曲线；
4)调用温度计算模块进行热处理温度场计算，得到升温曲线计算结果，与3)的升温曲线测试结果对比，使误差最小，从而确定双椭球体热源模型参数，确定热源模型参数与燃烧器功率、热源模型集中系数与燃烧器功率的关系；热源模型集中系数k与燃烧器功率成指数关系。
所述的步骤1)中压力容器内燃法热处理所需热源形式为采用一台或多台燃烧器，沿容器轴线布置，以双椭球型热源形式向容器、保温层传热，热源模型为
式中，q为热源有效功率，ff、fr分别为总的输入功率在前、后两部分的分配指数，ff+fr＝2，k为热源集中系数，x0和y0表示热源的中心位置，a、bf和br分别为双椭圆热源模型的几何参数。
所述的步骤2)中热源有效功率的计算公式为根据实际的消耗油/气量计算热源有效功率，热源有效功率的计算公式为式中，η为热效率，c为燃料的燃烧值，m为油/气的消耗量，t为燃烧时间。
所述的步骤3)中为不同燃烧器在不同开度下的燃烧曲线，结合计算，获得燃烧器开度工艺参数与热源模型参数的关系。
所述的步骤4)中双椭球体热源模型参数确定依据实验测试的升温曲线与计算的升温曲线比较，参数取值满足误差要求。其中：升温曲线温度数据为步骤3)燃烧器不同开度下的加热曲线，经筛选后制作成温度数据并输出至计算模块；改变热源模型参数，输入计算模块获得加热曲线，与实验升温曲线温度数据比较，如满足误差要求，该参数就确定为热源模型参数。
本发明相比背景技术产生的积极效果和优点：采用数值计算，结合燃烧器热源模型参数与燃烧器开度间的关系实现热处理分析，克服了经验法引起的温度的较大波动和热处理时间的延长，此外考虑了燃烧器开度与有效功率的指数关系，以及燃烧器开度和热源形状参数的关系，将机理性和经验性热处理温度场建模方法改进为定量关系的数学模型，本发明提出的建模方法定量反映了热处理传热机理、燃烧器、压力容器结构参数对热处理温度场的影响，为热处理工艺的设计提供理论依据。
附图说明
图1双椭球体热源模型及参数示意图；
图2a、图2b燃烧器热源模型参数a与开度的关系；
图3a、图3b燃烧器热源模型参数bf与开度的关系；
图4压力容器测温点分布图；
图5压力容器内燃法立式整体热处理几何模型；
图6是压力容器内燃法立式整体热处理有限元模型。
实施例
压力容器材质为Q235R，高度为25000mm，内径为5000mm，壁厚40mm。采用柴油作为加热燃料。由于压力容器为筒体结构，且加热方式为立式下人孔加热，因此，几何模型采用轴对称模型,将压力容器、群座、外部保温层划分为网格，径向容器的网格尺寸不超过0.5壁厚/格，保温层的网格尺寸不超过0.5壁厚/格；轴向为1.0～5.0壁厚/格。
按步骤1进行热源选择和计算,计算采用非线性瞬态热传导问题的控制方程。其中燃烧器热源模型如图1，热源模型采用双椭球型热源形式，假设双椭球型热源前后两部份的热流密度相同，那么ff和fr与前后两部份椭圆的面积相关，可用下式进行计算：
不同燃烧器类型下，热源模型参数中br限定，公式(1)和公式(2)中的参数a和bf，由开度与模型参数曲线确定，如图2a、图2b、图3a、图3b所示，可以减少计算量。此外，保温层与大气的热交换采用第三类换热边界条件。
第2步：根据实际的消耗油/气量计算热源有效功率，热源有效功率的计算公式为式中，η为热效率，c为柴油的燃烧值，m为柴油的消耗量，t为燃烧时间；
第3步获取燃烧器不同开度下的升温曲线，如对于压力容器则获取燃烧器给定开度下的升温曲线；
第4步调用热传导温度计算模块进行热处理温度场计算，得到升温曲线计算结果，与3)的升温曲线测试结果对比，使误差最小。
具体确定方法为：
a)根据压力容器、保温层的实际形状，创建轴对称结构模型，并加以网格划分，容器的网格尺寸不超过0.5壁厚/格，保温层的网格尺寸不超过0.5厚度/格；
b)将对流边界条件与辐射边界条件同时加载于轴对称结构模型外表面，模拟散热条件；
c)计算中所需的燃烧器热源模型参数采用待定参数代入计算。
所述的参数调整步骤为：
i)将当前参数记录为R1，根据设定的步长，对每一个待定热源模型参数进行增加以及减少的调整，计算升温曲线误差后与当前参数升温曲线误差进行对比，选择误差较小的参数保留，记录为R2，若所有参数调整完毕后，R2＝R1，则将步长减半，重新执行步骤i，否则执行步骤ii；
ii)根据步骤i中的参数R1与R2，进行一次步长为R2/R1的参数调整，获得新的参数点，记为M1，并重新执行步骤i；
iii)当步骤i中的升温曲线误差小于容错范围，则停止计算。
当调整热源模型待定参数获得的模拟温度曲线与实验测量获得的温度曲线之间的误差小于容错范围，则认为计算所假设的热源模型待定参数与实际情况相同，此假设的待定参数作为实际燃烧器热源模型参数。
图4为测温点的布置，一共有8个测温层，从下往上依次上升，其中，实心的星星1、2、5、9、10、11、15、16为正面测温点，空心的星星3、4、6、7、8、12、13为背面测温点，15、16在第1测温层，13、14在第2测温层，11、12在第3测温层，9、10在第4测温层，7、8在第5测温层，5、6在第6测温层，3、4在第7测温层，1、2在第8测温层。
图5为该压力容器内燃法立式整体热处理几何模型，由上下封头和筒体组成，当输入上下封头的高度、半径、厚度参数以及筒体的高度、厚度参数即可生成几何模型,17是烟气的出口，18是柴油入口。
图6是该压力容器内燃法立式整体热处理有限元模型。模型的网格尺寸不超过0.5壁厚/格，保温层的网格尺寸不超过0.5厚度/格。
表1为压力容器热处理工艺参数及消耗柴油量计算，采用HT1燃烧器在开度30时计算得到的热源参数如表2所示，试验4#的热处理计算结果如表3所示，给出了不同层计算温度和实验温度的对比，误差约5％。
表1热处理工艺参数及耗油量
表2双椭球面热源参数表
表3 4#温度计算值与实测值比较

Claims (5)

1.一种压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于包括如下步骤：
1)采用高斯分布的双椭球体热源模型作为燃烧器燃烧火焰的热源形式；
2)根据实际的消耗的油/气量计算热源有效功率；
3)获取燃烧器不同开度下的升温曲线；
4)调用温度计算模块进行热处理温度场计算，得到升温曲线计算结果，与3)的升温曲线测试结果对比，使误差最小，从而确定双椭球体热源模型参数，确定热源模型参数与燃烧器功率、热源模型集中系数与燃烧器功率的关系；热源模型集中系数k与燃烧器功率成指数关系。
2.根据权利要求1所述的压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于：所述的步骤1)中压力容器内燃法热处理所需热源形式为采用一台或多台燃烧器，沿容器轴线布置，以双椭球型热源形式向容器、保温层传热，热源模型为式中，q为热源有效功率，ff、fr分别为总的输入功率在前、后两部分的分配指数，ff+fr＝2，k为热源集中系数，x0和y0表示热源的中心位置，a、bf和br分别为双椭圆热源模型的几何参数。
3.根据权利要求1所述的压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于：所述的步骤2)中热源有效功率的计算公式为根据实际的消耗油/气量计算热源有效功率，热源有效功率的计算公式为式中，η为热效率，c为燃料的燃烧值，m为油/气的消耗量，t为燃烧时间。
4.根据权利要求1所述的压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于：所述的步骤3)中为不同燃烧器在不同开度下的燃烧曲线，结合计算，获得燃烧器开度工艺参数与热源模型参数的关系。
5.根据权利要求1所述的压力容器内燃法立式整体热处理温度场数值模型建模方法，其特征在于：所述的步骤4)中双椭球体热源模型参数确定依据实验测试的升温曲线与计算的升温曲线比较，参数取值满足误差要求。其中：升温曲线温度数据为步骤3)燃烧器不同开度下的加热曲线，经筛选后制作成温度数据并输出至计算模块；改变热源模型参数，输入计算模块获得加热曲线，与实验升温曲线温度数据比较，如满足误差要求，该参数就确定为热源模型参数。
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