用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法与流程

本发明涉及数字化仿真，特别涉及一种用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法。

背景技术：

1、在石油、化工、电力等领域，钢质管道作为输送系统被广泛应用。而钢质管道通常是在现场焊接组装的，焊接施工必然会产生残余应力，这对管道的安全运行带来严重威胁。为了改善组织、消除焊接残余应力，焊后及时进行热处理操作是非常有必要的。但是在管道安装现场，由于热处理炉等条件的限制无法进行整体热处理，只能使用局部热处理代替。

2、现场局部热处理主要采用柔性陶瓷电阻加热的方法，柔性陶瓷电阻加热器是由若干内部装有线圈的陶瓷片串联而成。线圈通入电流后产生电阻热并加热与之接触的管道。局部焊后热处理时首先在管道外壁焊缝处点焊控温热电偶，之后在焊缝及周围一定范围内母材安装加热器和保温措施。热处理时，电脑温控仪通过比较热电偶测量温度与设定温度，调控加热器内线圈的功率，对管道进行加热。

3、cn113201627b公开了一种大型调质钢压力容器内壁补焊后局部热处理方法，包括如下步骤：(1)确定调质钢容器补焊区域相关尺寸参数：包括补焊区域容器壁厚t、原始焊缝宽度w1、补焊焊缝宽度w2、补焊焊缝长度l、补焊焊缝厚度t；(2)确定局部热处理加热方式：采用电磁感应加热；(3)确定局部热处理升温及降温次数：根据补焊区域容器壁厚确定升温及降温次数；(4)确定局部热处理加热范围：根据补焊区域容器壁厚t、原始焊缝宽度w1、补焊焊缝宽度w2、补焊焊缝长度l确定局部热处理加热带布置范围，局部热处理加热带布置范围与补焊焊缝厚度t无关；(5)确定局部热处理保温范围：根据步骤(4)中的加热范围确定保温带布置范围；(6)确定局部热处理加热工艺：包括热处理保温温度、保温时间；(7)布置测温和控温热电偶；(8)热处理实施，并记录热处理温度曲线；所述步骤(3)中，升温次数n1＝t/50，n1往上取整数；降温次数n2＝t/50，n2往下取整数；所述步骤(4)中加热带布置范围包括加热带沿筒体轴向宽度及加热带沿筒体周向长度，其中加热带沿筒体轴向宽度z1＝w1+w2+100n1*2，加热带沿筒体周向长度l1＝l+100n1*2，n1为步骤(3)中的升温次数，n1往上取整数；所述步骤(5)中保温带布置范围包括保温带轴向宽度及保温带周向长度，其中保温带轴向宽度z2＝z1+200n2，保温带周向长度l2＝l1+250n2，n2为步骤(3)中的降温次数，n2往下取整数。

4、cn111534680b公开了一种厚壁承压设备焊后局部感应热处理的加热均温方法，包括以下步骤：(1)在水平放置的厚壁承压筒体环焊缝的内外壁点焊数支测温热电偶，热电偶线沿厚壁承压筒体壁引出，通过热电偶延长线接入感应加热电源；(2)在厚壁承压筒体的内壁和外壁分别铺设陶瓷纤维保温毯；(3)在外壁的陶瓷纤维保温毯外缠绕柔性水冷电缆形成感应加热线圈，该柔性水冷电缆的电路接入感应加热电源，水路接入工业冷水机；(4)感应加热电源向柔性水冷电缆输出中高频交流电，对厚壁筒体进行加热；(5)通过测温热电偶对厚壁筒体内壁和外壁温度进行监控，设定在升温、保温和降温过程中，厚壁筒体内壁和外壁许用温差为t，厚壁筒体外壁圆周方向许用温差为p；当厚壁筒体内壁和外壁实际温差超过t或者厚壁筒体外壁周向实际温差超过p时，降低感应加热电源的输出功率；当厚壁筒体内壁和外壁的实际温差未超过t以及厚壁筒体外壁周向实际温差未超过p时，感应加热电源持续输出功率，对厚壁筒体进行升温加热；如此反复，直到完成整个焊后热处理工艺过程；所述厚壁筒体内壁和外壁点焊测温热电偶的布置方式为：在厚壁筒体内壁至少布置2支，筒体外壁至少布置3支；其中，至少在厚壁筒体环焊缝所在横截面的内壁、外壁最高点和最低点分别布置一支热电偶；所述的测温热电偶为廉金属热电偶；热电偶通过点焊方式固定在厚壁筒体内壁和外壁上；所述热电偶线沿厚壁承压筒体壁引出是指热电偶线平行于厚壁承压筒体的轴线方向从筒壁引出；所述厚壁承压筒体的内壁和外壁分别铺设陶瓷纤维保温毯是指在承压筒体的内壁和外壁上均布设陶瓷纤维保温毯，陶瓷纤维保温毯以焊道的中心线为对称中心进行左右对称敷设；厚壁筒体外壁的陶瓷纤维保温毯覆盖的筒体长度为筒体壁厚的至少10倍，厚壁筒体内壁的陶瓷纤维保温毯覆盖的筒体长度为筒体壁厚的至少10倍；所述的柔性水冷加热电缆在厚壁筒体环焊缝中心线的两侧对称缠绕，环焊缝中心线处的柔性水冷加热电缆稀疏排列，远离焊道中心处的柔性水冷加热电缆密集排列；在厚壁承压筒体的轴线方向上，柔性水冷电缆缠绕的加热宽度不小于厚壁筒体壁厚的6倍。

5、cn106636600b公开了一种用于航空发动机大型零部件修复补焊后局部热处理的方法，将待热处理零部件安置在真空炉内的载物台上，将真空炉内压力抽真空至6.65×10-2pa以下，并维持该真空度，用加电热带对待热处理零部件局部修复补焊区域加热至700℃～740℃，保持120～480分钟后随炉冷却至室温，即完成待处理零部件局部修复补焊的热处理，在加热处理过程中，使用与记录仪连接的控温电偶、记录负载电偶、监控热电偶分别对修复补焊区的温度进行控制、以及记录加热负载和对外加热区域温度进行监控，使用与超温报警仪连接的超温报警电偶进行超温报警，使用分别与记录仪和控制仪连接的控温热电偶对修复补焊区的温度进行控制；所述加热区域控制为由补焊区域向外延伸补焊区域宽度3～4倍的范围。

6、现有技术中，针对管道外壁焊缝处点焊进行局部热处理试验，整个过程需要经过加热、冷却等一系列复杂的过程，不仅需要消耗大量的试错能源和人力，时间周期长且成本高昂。

技术实现思路

1、经过长期实践发现，钢质管道异型结构不规则导致受热不均匀，热处理工艺参数往往采用统一的调整和优化，不能满足局部优化的需求，且在整个过程中温度场变化不能直观显示，导致难以全面地控制每个局部的焊接后热处理的质量等技术问题。

2、本发明提供了一种用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法，该用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法包括，

3、步骤s1，根据管道的内径r和壁厚t建立函数关系式，确定加热宽度hb和保温宽度gcb；

4、

5、gcb＝1.4hb+y

6、其中，第一调节参数x的取值范围为-100～100mm，第二调节参数y的取值范围为100～300mm；

7、步骤s2，根据加热宽度hb和保温宽度gcb，将管道模型划分为加热区、保温区、自然对流区，并采用有限元法建立管道异型结构的温度场计算模型；

8、步骤s3，根据温度场计算模型先求解出升温阶段、保温阶段、冷却阶段的初始热输入值，并建立基于以升温速度和温度的双目标收敛判据，再针对管道异型结构进行三维瞬态温度场迭代计算得到温度场模拟计算结果；

9、步骤s4，将所述温度场模拟计算结果与管道异型结构的热处理准则进行对比验证，若不满足热处理准则预设值，则返回到步骤s1，并调节计算加热宽度的x值和保温宽度的y值，重新进行计算，直到所述温度场模拟计算结果满足所述热处理准则预设值。

10、优选地，在步骤s2中，将保温区、自然对流区设置的非结构化网格的稀疏度大于加热区的非结构化网格。

11、优选地，在钢质管道异型结构的焊缝中心外壁设置有控温热电偶，根据就检测点反馈的温度信号用于自动调整加热功率，控制局部热处理的升温阶段、保温阶段、冷却阶段的升温速度、保温温度、保温时间和冷却速度。

12、优选地，在步骤s3中，在升温阶段中，当温度在300℃以下时，升温速度为150℃/h；当温度在300℃以上时，升温速度为80℃/h；

13、在保温阶段中，保温温度为760±10℃，保温时间为8～10h；

14、在冷却阶段中，冷却速度为100℃/h，冷却到300℃以下空冷至预设温度值。

15、优选地，将热处理过程的时间进行离散化为n个时间段，n为大于1的自然数，计算得到每一个时间段对应的初始热输入值；

16、在各时间段中将钢质管道的比热容、热传导系数、对流系数设置为固定值，将时间段内瞬态传热过程转变为偏微分方程的求解，

17、

18、其中，ρ为钢质管道的密度，c为钢质管道的比热容，t为温度，w为时间变量，λ表示钢材的热传导系数，r为钢质管道径向半径变量，z为钢质管道轴向尺寸变量；

19、在加热区中，边界条件为其中，q(w)为热流密度；

20、在自然对流区中，单位面积散失的热量计算，

21、q＝α(wb-tf)

22、其中，α为对流换热系数，即单位面积上、单位温差条件下传递的热功率，单位是w/(m2·℃)；wb为钢质管道裸露表面的温度，单位是℃；tf为空气温度，取25℃。

23、优选地，按照时间顺序，依次将升温阶段、保温阶段、冷却阶段分别进行温度场模拟计算；初始的热输入值施加到加热面上进行三维瞬态温度场求解，得到时间段的升温速度和温度，并与目标值进行比较，若两者的差值的绝对值小于预设误差值，则结束时间段的迭代计算。

24、优选地，在步骤s3中，所述双目标收敛判据包括以升温速度和温度为目标的升温阶段收敛判据，以保温温度和保温时间为目标的保温阶段收敛判据，以冷却速度和温度为目标的冷却阶段收敛判据。

25、优选地，所述热处理准则预设值为钢质管道的保温区内外壁的最大温差40℃，满足热处理准则预设值为最大温差小于40℃。

26、本发明还提供了一种电子设备，至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

27、所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述的用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法。

28、本发明还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本技术如上述的用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法。

29、本发明公开的用于钢质管道异型结构的局部热处理温度场模拟计算方法，首先根据管道的内径r和壁厚t建立函数关系式，确定加热宽度hb和保温宽度gcb；根据加热宽度hb和保温宽度gcb，将管道模型划分为加热区、保温区、自然对流区，并采用有限元法建立管道异型结构的温度场计算模型；根据温度场计算模型先求解出升温阶段、保温阶段、冷却阶段的初始热输入值，并建立基于以升温速度和温度的双目标收敛判据，再针对管道异型结构进行三维瞬态温度场迭代计算得到温度场模拟计算结果；将所述温度场模拟计算结果与管道异型结构的热处理准则进行对比验证。该方法能够在钢质管道异型结构相对复杂、不规则，且受热不均匀、热处理工艺参数不确定时的情况下，建立加热宽度与管道内径和壁厚的函数关系，能够快速地进行温度场模拟计算，温度场模拟过程与实际热处理试验过程符合程度高，通过模拟计算，能够极大地提高钢质管道异型结构的局部热处理的效率，降低了热处理试验的成本，使得实际热处理过程的效果和质量得到有力的保障。

30、本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。