CN109508513A - 一种管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种管内存在强气流的Cr‑Mo钢管道焊后热处理方法，属于焊后热处理技术领域，包括焊后热处理参数确定模块、热处理最高温度与加热器中心偏离距离ΔS计算模块、焊后热处理实施模块；可用于指导环境风速高或长管道两端存在较大压差等情况导致的管内存在强空气流动条件下Cr‑Mo钢管道焊后热处理，确保整个焊缝和足够的母材均处于于允许的热处理温度窗口范围，从而确保焊后热处理质量，保障Cr‑Mo钢管道部件长期安全使用。

Description

一种管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法
技术领域
本发明属于焊后热处理技术领域，提供了一种管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，可用于指导环境风速高或长管道两端存在较大压差等情况导致的管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理，保障焊后热处理质量。
背景技术
Cr-Mo钢是目前应用最广的一类热强钢，广泛用于化工、电力等需要在高温、高压和高腐蚀等苛刻环境下服役的设备。Cr-Mo钢在焊接后需要进行焊后热处理以改善接头性能和松弛焊接残余应力。在现场焊后热处理时，但受施工条件限制只能在管道外壁焊缝附近安装加热器。热处理时，热量由管道外壁向内壁传导，从而导致管道内、外壁焊缝出现一定温差。如果管内存在较强的空气流动，管道内壁就会与管内空气发生强烈的对流散热。而管道内壁又难以像管道外壁一样通过安装加热器或保温措施降低散热，此时，管道内壁就会出现由于内、外壁温差过大导致热处理温度不足而无法达到焊后热处理目的。此外，较强的管道空气流动还会导致热处理最高温度偏移加热器中心。由于，焊后热处理是通过在加热器中心点焊控温热电偶的方法控制焊后热处理加热功率。热处理最高温度偏移加热器中心就有可能导致热处理最高加热温度超过允许的热处理温度上限，从而使这些部位热处理时发生奥氏体转变，冷却后形成硬脆的淬火马氏体，严重降低接头性能。目前，还未见管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理方法的相关报道。Cr-Mo钢对焊后热处理温度十分敏感，如9Cr-1Mo钢要求焊后热处理温度在740～760℃之间，热处理温度窗口范围只有20℃。因此，有必要提出一种管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，包括以下步骤：
(1)焊后热处理参数确定模块：基于遗传算法，以减小热处理内外壁温差ΔT与允许的最大热处理内外壁温差ΔTmax之差为目标，计算给定管道规格与管内空气流速v条件下的最优焊后热处理参数；
(2)热处理最高温度与加热器中心偏离距离ΔS计算模块：根据步骤(1)计算得到的最优焊后热处理参数，建立管道与管内空气的流固耦合传热模型，获取热处理最高温度位置，并计算热处理最高温度位置与偏离加热器中心距离ΔS；
(3)焊后热处理实施模块：根据管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场分布特点，通过使加热器热处理最高温度位置与焊缝中心位置重合，确保整个焊缝以及足够的母材处于允许的焊后热处理温度窗口范围。
优选的，步骤(1)中给定管道规格包括管径D和壁厚δ；最优焊后热处理参数包括加热宽度Wh和保温宽度Ws。
优选的，确定步骤(1)中最优焊后热处理参数的具体操作步骤为：
S1、根据管内空气流动对Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场的影响规律，确定遗传算法模型参数，包括决策变量、约束条件、编码方式、适应度函数以及遗传算子；
其中，决策变量为加热宽度Wh、保温宽度Ws；约束条件为8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ；编码方式为染色体编码方式；适应度函数为遗传算子中选择运算为随机遍历抽样算子，交差运算为单点交叉算子，离散变异运算为变异方法；
S2、对于给定管道规格与管内空气流速v条件下，在8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ范围内随机选取M＝20组个体作为初始种群；
S3、对于初始种群内每组个体通过流固耦合传热计算其热处理内外壁温差ΔT，根据步骤S1中的适应度函数Fit确定其适应度；
S4、若适应度Fit>0.2，那么该个体即为最优的热处理参数；
S5、若适应度Fit<0.2，则根据步骤S1确定的遗传算法模型参数分别对高适应度值个体的染色体进行复制、交叉和变异，生成新的种群；
S6、对步骤S5产生的新种群，重复上述步骤S1的过程，直到出现适应度值Fit>0.2的个体，则此个体即为最优的热处理参数。
优选的，步骤S1中所述染色体编码方式为20位二进制串，其中前10位表示Wh，后10位表示Ws。
优选的，确定步骤(2)中热处理最高温度位置与偏离加热器中心距离ΔS的具体操作步骤为：
S7、对于给定管道规格与管内空气流速v条件和步骤1中得到的焊后热处理参数，建立流固耦合传热模型，计算热处理温度场分布；
S8、根据步骤S1中得到的热处理温差场分布，提取管道内壁温度最高点位置坐标x，计算热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS＝|x0-x|。
优选的，步骤S8中x0为加热器中心位置坐标。
优选的，确定步骤(3)中的整个焊缝以及足够的母材处于允许的焊后热处理温度窗口范围，具体操作步骤为：
S9、对于需要进行焊后热处理的管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道，使用风速仪测量空气入口侧空气流速v*；
S10、确定加热器中心位置，对于测定的空气流速v*，根据步骤(2)确定热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS*，从焊缝中心位置开始沿管道轴线方向向空气出口侧移动ΔS*距离，以该位置为中心安装加热器和保温棉
S11、设置热处理温度，开始焊后热处理。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明热处理方法包括焊后热处理参数确定模块、热处理最高温度与加热器中心偏离距离ΔS计算模块、焊后热处理实施模块；可用于指导环境风速较高或长管道两端存在较大压差等情况导致的管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理，确保整个焊缝和足够的母材均处于允许的热处理温度窗口范围，从而确保焊后热处理质量，保障了Cr-Mo钢管道部件长期安全使用。
结合遗传算法与流固耦合传热计算，算法简单。由于遗传算法进化算子的各态历经性，对于给定规格的Cr-Mo钢管道和管内空气流速条件下，可以有效地对焊后热处理参数进行概率意义的全局搜索。通过提出调整焊后热处理是加热器和保温棉的安装位置的方法，有效避免焊后热处理过程出现温度过高或不足的情况，从而保障焊后热处理质量。
本发明中选取管道规格(管径和壁厚)、管内空气流速作为变量参数，适用的范围如下：
管道材料：Cr-Mo钢；
管道内径D：100～1200mm；
管道壁厚δ：10～150mm；
管内空气流速：0～5m/s。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Cr-Mo钢管道焊后热处理加热器和保温棉安装示意图；
图中：1保温棉、2、加热器、3焊缝、4热影响区、5焊缝中心、6加热器中心。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)：
焊后热处理参数确定模块，基于遗传算法，以减小ΔT与允许的最大热处理内外壁温差ΔTmax之差为目标，计算给定管道规格(管径D和壁厚δ)与管内空气流速v条件下的最优焊后热处理参数(加热宽度Wh和保温宽度Ws)，具体方法为：
步骤S1，确定遗传算法模型参数，包括决策变量和约束条件、编码方式、适应度函数以及遗传算子等；根据管内空气流动对Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场的影响规律，确定加热宽度Wh和保温宽度Ws为决策变量，约束条件为8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ；染色体编码方式为20位二进制串，其中前10位表示Wh，后10位表示Ws；适应度函数为遗传算子中选择方法为随机遍历抽样算子，交差方法为单点交叉算子，离散变异算子为变异方法，确定种群大小M＝20；
步骤S2，对于给定管道规格(管径D和壁厚δ)与管内空气流速v条件下，在8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ范围内随机选取M＝20组个体作为初始种群；
步骤S3-S5，对于初始种群内每组个体通过流固耦合传热计算其热处理内外壁温差ΔT。根据步骤S1中的适应度函数fit确定其适应度；如果fit>0.2，那么该个体即为最优的热处理参数，否则，根据步骤S1确定的遗传算法模型参数分别对高适应度值个体的染色体进行复制、交叉和变异，生成新的种群；
步骤S6，对步骤S3产生的新种群，重复上述步骤S3过程，直到出现适应度值fit>0.2的个体，并选择此个体即为最优的热处理参数。
步骤(2)：
热处理最高温度与加热器中心偏离距离ΔS计算模块，根据步骤(1)计算得到的最优焊后热处理参数(加热宽度Wh和保温宽度Ws)，建立管道与管内空气的流固耦合传热模型，获取热处理最高温度位置，并计算热处理最高温度位置与偏离加热器中心距离ΔS，具体方法为：
步骤S7，对于给定管道规格(管径D和壁厚δ)与管内空气流速v条件和步骤(1)中得到的焊后热处理参数(加热宽度Wh和保温宽度Ws)，建立流固耦合传热模型，计算热处理温度场分布；
步骤S8，根据步骤S7中得到的热处理温差场分布，提取管道内壁温度最高点位置坐标x，计算热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS＝|x0-x|(x0为加热器中心位置坐标)。
步骤(3)：
焊后热处理实施模块，根据管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场分布特点，通过使加热器热处理最高温度位置与焊缝中心位置重合，确保整个焊缝以及足够的母材处于允许的焊后热处理温度窗口范围，具体方法为：
步骤S9，对于需要进行焊后热处理的管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道，使用风速仪测量空气入口侧空气流速v*。
步骤S10，确定加热器中心位置，对于测定的空气流速v*，根据步骤(2)确定热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS*。从焊缝中心位置开始沿管道轴线方向向空气出口侧移动ΔS*距离，以该位置为中心安装加热器和保温棉。
步骤S11，设置热处理温度，开始焊后热处理。
实施例：
使用本发明所涉及的一种管内存在强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理方法对一Cr-Mo钢管道进行焊后热处理，测量其温度分布并与该钢中允许的热处理温度窗口范围对比，验证本方法的准确性：
试验选用规格为Φ575mm×35mm×1200mm的9Cr-1Mo钢管道。9Cr-1Mo钢允许的热处理温度窗口范围为740-760℃。热处理时使用风速仪测量管内空气流速为2m/s。试验测量管道内壁焊缝中心温度为742℃，加热器中心位置管道外壁温度为761℃。结果表明，使用本方法进行管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理，可以确保整个焊缝和足够的母材处于允许的热处理温度窗口范围，有效避免焊后热处理过程出现温度过高或不足的情况，从而保障焊后热处理质量。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)焊后热处理参数确定模块：基于遗传算法，以减小热处理内外壁温差ΔT与允许的最大热处理内外壁温差ΔTmax之差为目标，计算给定管道规格与管内空气流速v条件下的最优焊后热处理参数；
(2)热处理最高温度与加热器中心偏离距离ΔS计算模块：根据步骤(1)计算得到的最优焊后热处理参数，建立管道与管内空气的流固耦合传热模型，获取热处理最高温度位置，并计算热处理最高温度位置与偏离加热器中心距离ΔS；
(3)焊后热处理实施模块：根据管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场分布特点，通过使加热器热处理最高温度位置与焊缝中心位置重合，确保整个焊缝以及足够的母材处于允许的焊后热处理温度窗口范围。
2.根据权利要求1所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于：步骤(1)中给定管道规格包括管径D和壁厚δ；最优焊后热处理参数包括加热宽度Wh和保温宽度Ws。
3.根据权利要求2所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于，为确定步骤(1)中最优焊后热处理参数的具体操作步骤为：
S1、根据管内空气流动对Cr-Mo钢管道焊后热处理温度场的影响规律，确定遗传算法模型参数，包括决策变量、约束条件、编码方式、适应度函数以及遗传算子；
其中，决策变量为加热宽度Wh、保温宽度Ws；约束条件为8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ；编码方式为染色体编码方式；适应度函数为遗传算子中选择运算为随机遍历抽样算子，交差运算为单点交叉算子，离散变异运算为变异方法；
S2、对于给定管道规格与管内空气流速v条件下，在8·δ≤Wh≤20·δ，Wh+4·δ≤Wb≤Wh+10·δ范围内随机选取M＝20组个体作为初始种群；
S3、对于初始种群内每组个体通过流固耦合传热计算其热处理内外壁温差ΔT，根据步骤S1中的适应度函数Fit确定其适应度；
S4、若适应度Fit>0.2，那么该个体即为最优的热处理参数；
S5、若适应度Fit<0.2，则根据步骤S1确定的遗传算法模型参数分别对高适应度值个体的染色体进行复制、交叉和变异，生成新的种群；
S6、对步骤S5产生的新种群，重复上述步骤S1的过程，直到出现适应度值Fit>0.2的个体，则此个体即为最优的热处理参数。
4.根据权利要求3所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于：步骤S1中所述染色体编码方式为20位二进制串，其中前10位表示Wh，后10位表示Ws。
5.根据权利要求2所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于，为确定步骤(2)中热处理最高温度位置与偏离加热器中心距离ΔS的具体操作步骤为：
S7、对于给定管道规格与管内空气流速v条件和步骤1中得到的焊后热处理参数，建立流固耦合传热模型，计算热处理温度场分布；
S8、根据步骤S1中得到的热处理温差场分布，提取管道内壁温度最高点位置坐标x，计算热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS＝|x0-x|。
6.根据权利要求5所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于：步骤S8中x0为加热器中心位置坐标。
7.根据权利要求2所述的管内存在强气流的Cr-Mo钢管道焊后热处理方法，其特征在于，为确定步骤(3)中的整个焊缝以及足够的母材处于允许的焊后热处理温度窗口范围，具体操作步骤为：
S9、对于需要进行焊后热处理的管内存在较强空气流动条件下Cr-Mo钢管道，使用风速仪测量空气入口侧空气流速v*；
S10、确定加热器中心位置，对于测定的空气流速v*，根据步骤(2)确定热处理最高温度位置偏离加热器中心距离ΔS*，从焊缝中心位置开始沿管道轴线方向向空气出口侧移动ΔS*距离，以该位置为中心安装加热器和保温棉
S11、设置热处理温度，开始焊后热处理。
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