CN110309572B - 确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及9％Cr钢高温高压管道焊接技术领域，具体涉及一种确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，包括以下步骤：1，采用有限元软件计算M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理内外壁在一定温差时所需的最小加热宽度；2，基于M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，采用作图软件绘制9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图；3，根据绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图建立任意规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算方法，并利用该方法计算任意规格的管道焊后热处理的最小加热宽度。本发明的方法可快速地确定9％Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度，便于现场热处理技术人员应用。

Description

确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法
技术领域
本发明涉及9％Cr钢高温高压管道焊接技术领域，具体涉及一种确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法。
背景技术
以P91、P92为代表的9％Cr马氏体耐热钢，具有优异的抗高温氧化和抗高温蠕变性能，是建造超(超)临界机组主蒸汽管道、集箱等重要部件的理想材料。在火电机组的管道安装中，焊接过程会导致管道组织劣化，性能降低，因此9％Cr钢管道焊接接头必须进行焊后热处理，以改善组织、提高韧性和释放残余应力。但是，受现场施工条件的限制，对9％Cr钢管道只能在外壁布置热源进行局部焊后热处理。9％Cr钢管道对焊后热处理温度要求非常苛刻，窗口范围很窄，一般为740-760℃。为了保证9％Cr钢管道局部焊后热处理时内外壁温度均能满足要求，需要控制好内外壁温差，技术关键在于如何选取合适的加热宽度。加热宽度如果不足，内壁温度将低于范围下限；加热宽度过大，不仅浪费能源，增加热处理时间和成本，而且增大母材的热损伤范围。
目前，工程上虽有一些可用于指导电站锅炉管道焊后热处理加热宽度计算选取的标准，如DL/T819-2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》、AWS D10.10/D10.10M:1999(R2009)《管道接头局部焊后热处理推荐实践》以及BS EN 13445-4-2009《非燃烧压力容器-欧盟第4部分：制造》等，但是这些标准推荐的最小加热宽度存在较大差异，并且不能满足9％Cr钢管道苛刻的焊后热处理内外壁温差控制要求，无法有效指导新型9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度的选取。发明专利《9％Cr马氏体钢管道焊后热处理加热宽度的优化方法》提出了一种基于神经网络模型预测最小加热宽度，该方法的计算精度较高，但是需要较复杂的建模计算，不便于现场热处理技术人员应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，基于内外壁温差控制要求，用该方法可快速地确定9％Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，包括以下步骤：
步骤1，采用有限元软件计算M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理内外壁在一定温差时所需的最小加热宽度；
步骤2，基于步骤1计算得到的M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，采用作图软件绘制9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图；
步骤3，根据步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图建立任意规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算方法，并利用该方法计算任意规格的管道焊后热处理的最小加热宽度。
优选地，所述步骤1中，采用有限元软件计算M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理内外壁在一定温差时所需的最小加热宽度，具体方法为：
步骤1.1，根据9％Cr钢管道的应用情况，选取管道外径范围和壁厚范围，并在范围内均匀选取M组不同规格的9％Cr钢管道；
步骤1.2，对于步骤1.1中选取的M组不同规格的9％Cr钢管道，使用有限元软件建立温度场计算模型，并施加相应的边界条件；
步骤1.3，利用步骤1.2中建立的计算模型，计算各规格的钢管道在内外壁温差为20℃时所需的局部焊后热处理最小加热宽度。
优选地，所述步骤2中，基于步骤1计算得到的M组不同规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，采用作图软件绘制9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图，具体方法为：
步骤2.1，将步骤1中计算得到的M组不同规格9％Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度数据输入作图软件；
步骤2.2，在作图软件中选取输入的焊后热处理加热宽度数据绘制图形；
步骤2.3，在绘制的图形中，添加坐标轴信息。
优选地，所述步骤3中，根据步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图建立任意规格的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算方法，具体方法为：
步骤3.1，基于管道外径D和管道壁厚δ，计算管道内半径(0.5D﹣δ)的数值，依据管道内半径(0.5D﹣δ)的变化，将步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图分为若干个区域，针对管道内半径(0.5D﹣δ)在不同范围时，确定9％Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度的速算方法；
步骤3.2，依据步骤3.1中加热度速算方法，确定管道内半径(0.5D﹣δ)所处的区间，最后计算该规格管道焊后热处理最小加热宽度的数值。
优选地，基于管道外径D和管道壁厚δ，计算管道内半径(0.5D﹣δ)的数值，依据管道内半径(0.5D﹣δ)的变化，将步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图分为8个区域，再针对管道内半径(0.5D﹣δ)在不同范围时，提出9％Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度的速算方法，具体如下：
当0.5D﹣δ≤100时，最小加热宽度的速算方法为8*δ；
当100＜0.5D﹣δ≤170时，最小加热宽度的速算方法为12*δ；
当170＜0.5D﹣δ≤250时，最小加热宽度的速算方法为16*δ；
当250＜0.5D﹣δ≤320时，最小加热宽度的速算方法为20*δ；
当320＜0.5D﹣δ≤420时，最小加热宽度的速算方法为24*δ；
当420＜0.5D﹣δ≤520时，最小加热宽度的速算方法为32*δ；
当520＜0.5D﹣δ≤620时，最小加热宽度的速算方法为36*δ；
当620＜0.5D﹣δ时，最小加热宽度的速算方法为40*δ。
优选地，所述9％Cr钢管道的尺寸为：管道外径为300～1500mm，管道壁厚为30～150mm。
本发明的方法的基本原理为：通过对影响管道内壁散热的主要因素进行理论分析，得到在管道壁厚一定时内壁温度主要受内壁辐射换热的影响，即管道局部焊后热处理时的内外壁温差主要取决于内壁辐射换热的多少，而内壁辐射散热量与管道内径近似成正比。
管道内壁散热主要包括两部分：与内部空气的对流换热和与管道内壁其它位置的辐射换热。考虑到现场施工时管道两端被封堵，可忽略与空气对流换热的影响。
管道热处理时可近似为黑体(ε＝1)，管道内壁焊缝中心某一微元面dA1与管壁内壁其它位置任一微元面dA2的辐射换热量为：
dΦ＝dA1X12(E1-E2)＝dA1X12σb(T1 4-T2 4) (1)
式中，E1和E2分别为dA1和dA2热辐射的能量，X12为角系数，T1和T2分别为两微元面的温度，单位为K，σb为黑体辐射常数，
Figure BDA0002105330720000031
式中，
Figure BDA0002105330720000032
和
Figure BDA0002105330720000033
分别为微元面dA1和dA2的法线与它们之间连线的夹角。如图1建立柱坐标系r-θ-z，将dΦ在管道内壁S内积分，得到dA1与管道内壁其他位置的总辐射换热为
Figure BDA0002105330720000041
这里以管道轴线和dA1中心确定的平面与管道内壁相交的宽度为dS微元面dA(即θ＝π/2位置管道内壁微元面)为例进行讨论，那么dA2＝dSdz＝Didθdz。由几何关系可知
Figure BDA0002105330720000042
Figure BDA0002105330720000043
式中，Di为管道内径。
设管道长度为2l0，那么dA1与微元面dA的辐射换热量为。
Figure BDA0002105330720000044
考虑到T1与z无关，忽略T2在z方向上的改变，式(5)可化简为
Figure BDA0002105330720000045
式中，
Figure BDA0002105330720000046
Figure BDA0002105330720000047
则dA1与管道内壁其他位置的总辐射换热量可近似为
Figure BDA0002105330720000048
考虑到l0＞＞Di，则
Figure BDA0002105330720000049
那么有，
Figure BDA00021053307200000410
由(9)式可知，管道内壁辐射散热量与管道内径近似成正比，即在壁厚一定的情况下，管道内径越大，内壁辐射散热量越多，则内外壁温差增大。为了保证管道内外壁温度均满足要求，需相应地增大加热宽度。根据该公式，在计算不同规格管道局部焊后热处理的加热宽度时，可以用管道内径Di作为参量进行分界。这样，先根据传热学理论和有限元计算得到加热宽度速算云图，然后基于以管道内半径为参量的加热宽度速算公式，就可以快速地计算出任意规格9％Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度。
基于以上原理，考虑9％Cr钢管道焊后热处理内外壁温差一般应小于20℃的要求，再根据专利发明人建立的9％Cr钢管道焊后热处理温度场计算模型，采用有限元软件计算M组不同规格(管道外径和壁厚)相应的最小加热宽度。根据加热宽度计算结果绘制加热宽度速算云图，最后基于加热宽度云图建立任意规格管道的加热宽度计算模块。热处理技术人员只要输入管道规格(管道外径和壁厚)，就可利用加热宽度计算模块快速得到9％Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度。
本发明的方法提供一种基于内外壁温差控制要求确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的速算方法，用该方法可快速地确定9％Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度，无需复杂的建模计算，便于现场热处理技术人员应用。本发明的方法对保障热处理质量、提高热处理效率具有十分重要的意义。
附图说明
图1为9％Cr钢管道内壁辐射换热示意图；
图2为本发明的9％Cr钢管道焊后热处理内外壁温差控制在20℃以内时的加热宽度速算云图。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
一种确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的速算方法，包括以下步骤：
步骤1，9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算模块，使用有限元软件(如Abaqus软件)计算M组规格(管道外径和壁厚)9％Cr钢管道焊后热处理内外壁温差为20℃时所需的最小加热宽度具体方法为：
步骤1.1，根据9％Cr钢在的我国超(超)临界火电机组中的应用情况，在管道内径范围300～1500mm，壁厚范围30～150mm，均匀选取144组规格9％Cr钢管道；
步骤1.2，对于步骤1.1中选取的每144组规格9％Cr钢管道，使用有限元软件建立温度场计算模型，并施加相应的边界条件；
步骤1.3，利用步骤1.2中建立的计算模型，计算各规格管道在内外壁温差为20℃时所需的局部焊后热处理最小加热宽度。
步骤2，9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图建立模块，基于步骤1计算得到的144组规格9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，使用作图软件(如Origin软件)绘制9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图方法为：
步骤2.1，将步骤1中计算得到的144组不同规格9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据输入作图软件；
步骤2.2，在作图软件中选取输入的焊后热处理加热宽度数据绘制图形；
步骤2.3，在绘制的图形中，添加坐标轴信息(X轴为管道外径，Y轴为管道壁厚)。
步骤3，任意规格9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算模块，根据步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图建立任意规格9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度的计算方法，并利用该方法计算焊后热处理最小加热宽度具体方法为：
步骤3.1，为了便于现场施工应用，对步骤2中绘制的9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度速算云图作进一步处理，依据管道内半径Di/2(即0.5D﹣δ)的变化，将速算云图均匀划分为8个区域，即区域①－⑧。最后基于图2，针对管道内半径Di/2(即0.5D﹣δ)在不同范围时，提出9％Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度的速算方法，如表1所示。
表1加热宽度的速算方法
Figure BDA0002105330720000061
Figure BDA0002105330720000071
步骤3.2，基于管道外径(D)和管道壁厚(δ)，计算0.5D﹣δ的数值，并依据表1中加热宽度速算方法，确定管道内半径(0.5D﹣δ)所处的区间，最后计算该规格管道焊后热处理最小加热宽度的数值。
本发明中选取管道规格(管道外径和壁厚)、内外壁温差作为变量参数，适用的范围如下：
管道材料：9％Cr钢
管道外径：300～1500mm
管道壁厚：30～150mm
实施例：
根据本发明得到的基于内外壁温差控制要求确定9％Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的速算方法，计算了3种典型规格9％Cr钢管道局部焊后热处理时的最小加热宽度，并与焊后热处理实验测量的内外壁温差结果进行了比较，以说明本方法的有效性。
分析和记录表1中9％Cr钢管道使用本方法获得的热处理加热宽度进行焊后热处理试验，将试样测量的内外壁温差试验结果列于表2中，验证本方法的有效性。
表2管道局部热处理试验结果
管道规格/mm 材质 本方法得到加热宽度/mm 试验测量内外壁温差/℃
Φ575×35 P92 700 15
Φ508×110 P91 1320 19
Φ983×33 P91 1056 18
试验结果表明，使用本发明一种9％Cr钢管道焊后热处理加热宽度的速算方法计算出的加热宽度进行局部焊后热处理试验，可以满足内外壁温差≤20℃的要求，略带有一定的余量，结果较为合理，使用本方法解决了现有加热宽度计算方法过程繁琐，不便于现场施工的问题。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种确定9%Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用有限元软件计算M组不同规格的9%Cr钢管道焊后热处理内外壁在温差20℃时所需的最小加热宽度；
步骤2，基于步骤1计算得到的M组不同规格的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，采用作图软件绘制9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图；
步骤3，根据步骤2中绘制的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图建立任意规格的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算方法，并利用该方法计算任意规格的管道焊后热处理的最小加热宽度；
所述步骤2中，基于步骤1计算得到的M组不同规格的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度数据，采用作图软件绘制9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图，具体方法为：
步骤2.1，将步骤1中计算得到的M组不同规格9%Cr钢管道焊后热处理的最小加热宽度数据输入作图软件；
步骤2.2，在作图软件中选取输入的焊后热处理加热宽度数据绘制图形；
步骤2.3，在绘制的图形中，添加坐标轴信息，X轴为管道外径，Y轴为管道壁厚；
所述步骤3中，根据步骤2中绘制的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图建立任意规格的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度计算方法，具体方法为：
步骤3.1，基于管道外径D和管道壁厚δ，计算管道内半径（0.5D﹣δ）的数值，依据管道内半径（0.5D﹣δ）的变化，将步骤2中绘制的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图分为若干个区域，针对管道内半径（0.5D﹣δ）在不同范围时，确定9%Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度的速算方法；
步骤3.2，依据步骤3.1中加热度速算方法，确定管道内半径（0.5D﹣δ）所处的区间，最后计算该规格管道焊后热处理最小加热宽度的数值；
基于管道外径D和管道壁厚δ，计算管道内半径（0.5D﹣δ）的数值，依据管道内半径（0.5D﹣δ）的变化，将步骤2中绘制的9%Cr钢管道焊后热处理加热宽度云图分为8个区域，再针对管道内半径（0.5D﹣δ）在不同范围时，提出9%Cr钢管道焊后热处理最小加热宽度的速算方法，具体如下：
当0.5D﹣δ ≤100时，最小加热宽度的速算方法为8*δ；
当100＜0.5D﹣δ≤170时，最小加热宽度的速算方法为12*δ；
当170＜0.5D﹣δ≤250时，最小加热宽度的速算方法为16*δ；
当250＜0.5D﹣δ≤320时，最小加热宽度的速算方法为20*δ；
当320＜0.5D﹣δ≤420时，最小加热宽度的速算方法为24*δ；
当420＜0.5D﹣δ≤520时，最小加热宽度的速算方法为32*δ；
当520＜0.5D﹣δ≤620时，最小加热宽度的速算方法为36*δ；
当620＜0.5D﹣δ时，最小加热宽度的速算方法为40*δ。
2.根据权利要求1所述的确定9%Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，其特征在于：所述步骤1中，采用有限元软件计算M组不同规格的9%Cr钢管道焊后热处理内外壁在温差20℃时所需的最小加热宽度，具体方法为：
步骤1.1，根据9%Cr钢管道的应用情况，选取管道外径范围和壁厚范围，并在范围内均匀选取M组不同规格的9%Cr钢管道；
步骤1.2，对于步骤1.1中选取的M组不同规格的9%Cr钢管道，使用有限元软件建立温度场计算模型，并施加相应的边界条件；
步骤1.3，利用步骤1.2中建立的计算模型，计算各规格的钢管道在内外壁温差为20℃时所需的局部焊后热处理最小加热宽度。
3.根据权利要求1或2所述的确定9%Cr钢管道局部焊后热处理最小加热宽度的方法，其特征在于：所述9%Cr钢管道的尺寸为：管道外径为300～1500mm，管道壁厚为30～150mm。
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