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接管座安装焊缝热处理温度场研究

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接管座安装焊缝热处理温度场研究
陈忠兵
（苏州热工研究院电站焊接技术研究中心 13914073512 czbing2000@）
［摘要]通过实验测量和有限元计算，研究了加热装置的大小和布置、主支管的材料和规格、多管加热、主管附加加热等因素对接管座安装焊缝热处理温度场的影响。加热装置的中心与焊缝中心重合，并对主管沿接管座根部局部附加加热至520～580℃，可较好地克服最高温度偏移.该方法适用于不同材料、不同主支管壁厚比和不同的热处理温度下。
[关键词］ 接管座 安装焊缝 热处理 温度场 有限元分析

1．引言
集箱、汽包或其它容器与接管座的连接焊缝通常在制造厂内完成，而接管座与管子连接的安装焊缝则在现场进行。接管座的高度一般为100mm或以内,对该安装焊缝进行热处理时,加热装置的形状、大小和位置都受到一定限制。表1为某工地接管座安装焊缝热处理700℃恒温时的温度实测结果。安装焊缝距接管座根部的距离为90mm。现场采用远红外自动控温热处理仪，绳状加热带，紧靠接管座根部布置，缠绕宽度400mm。测点3即焊缝处热电偶为控温点。
表1 安装焊缝热处理７００℃恒温时温度分布实测值
集箱材料、规格
管子材料、
规格
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
12Cr1MoV
Φ324×50
15CrMo
Φ76×17.5
340/0
540/40
700/90
816/160
811/290
410/0
540/60
695/90
790/160
800/270
368/0
540/50
695/90
830/220
650/330
注：分子为温度(℃);分母为测点与接管座根部的距离（mm)。
从表1可看出，当焊缝达到热处理温度700℃时,管子上出现超过800℃的高温，远高于15CrMo的Ac1温度745℃。不恰当的热处理将导致热处理失效或萌生新的缺陷，带来经济损失和安全隐患。为此,需要对集箱、汽包或其它容器（以下称主管)接管座与管子(以下称支管）的安装焊缝局部热处理时的温度场特性及影响因素进行研究.
由于影响接管座安装焊缝热处理温度场的因素比较复杂，单纯依靠实验难以全面模拟工程中的各种情况和精确测量每一点的温度分布,本研究将有限元计算和实验测量相结合，采用工程上广泛应用的有限元分析软件ANSYS 7.0进行热分析。网格剖分选用20节点的六面体单元，图1为一个网格剖分图，单元节点数为40637。对流和辐射换热边界条件作为面载施加于实体的外表面，采用稳态非线性计算,加热装置以外的内外表面取介质环境温度20℃.计算中使用的材料导热系数如表２所示。

图1 多管加热网格图

表2 计算材料导热系数(）
材料
20℃
100℃
200℃
300℃
400℃
500℃
600℃
15CrMo
—
44。4
—
41。4
-
36。1
33.5
12Cr1MoV
35.6
35。6
35.6
35。2
33.5
32.2
30.6
2．热处理温度场特性
2。1 不同情况下温度场特性计算
主管与支管的材料分别选12Cr1MoV、15CrMo,规格分别选Φ324×50、Φ76×17.5,热处理温度范围取670～700℃.加热装置的一端紧靠接管座根部，并取接管座根部作为支管沿轴向的相对坐标零点,接管座安装焊缝的中心距接管座根部100mm。当加热装置宽度、温度控制点改变时，计算得到的支管单独局部热处理和接管座焊缝热处理温度场的特性如表3—5、图2-8及照片1—4所示。

2.2 温度场特性分析
2。2。1支管单独局部热处理时的温度场特性
支管单独加热时，加热装置两端管子的散热条件相同,加热装置中心与最高温度点(以下称加热中心)是重合的.但从加热中心起始,温度逐渐向加热装置两端下降。宽200mm和400mm加热装置的实际保温范围都只仅占加热装置宽度的52。5％。可见，热处理时的加热范围和保温范围是不等同的.

图2 管子局部热处理时的温度分布

15

表3 不同条件下温度场计算结果
序号
温度控制
计算结果
备注
加热中心
（最高温度点）
加热装置中心
焊缝中心
(距根部100mm)
保温范围
加热装置
两端温度
位置
（mm)
外壁温度(℃）
内外壁温差（℃)
外壁最高温度(℃）
内外壁温差（℃）
外壁最高温度(℃)
内外壁温差（℃)
区域
（mm)
长度
(mm)
接管座外壁（℃)
支管端(℃)
1
支管单独局部热处理.控制最高温度700℃。
加热装置宽200mm
100
700

700

700

47。5～152。5
105

578
图２
2
加热装置宽400mm
200
700

700

675

95～305
210

541
图２
3
加热装置宽400mm
控制支管最高温度700℃
247
700
5
689
5
592
5
163～331
168
256
577
图4
4
控制焊缝中心温度700℃
246
824
4
815
4
700
5
a)

290
677
图3.温度云图见照片１
5
加热装置宽200mm,
控制最高温度700℃
134
700
6
678
7
678
7
95～173
78
266
608
图5,6。温度云图见照片２
6
5个支管同时加热。加热装置宽200mm。控制最高温度700℃
127
700
5
688
5
688
5
85～169
84
350～
360

温度云图见照片３
7
主管附加加热.加热装置宽200mm,控制最高温度700℃
109
700
5
699
5
699
5
59～158
99
517
517
图7，8. 温度云图见照片4
a)外壁100～392mm范围温度超过700℃.

2。2。2加热装置宽400mm时接管座焊缝温度场特性
从表3中可以看出，当加热装置的宽度为400mm，即加热中心与焊缝中心不重合时,两者的温差是很大的。当控制支管上的最高温度为700℃时，焊缝中心外壁仅592℃，与加热中心温差达108℃，焊缝中心不在670～700℃保温区内（图3）；当控制安装焊缝中心外壁温度为700℃时，支管外壁的最高温度达到824℃（图4)，该结果也与工程上实际测量的结果（表1)吻合良好.

图3 加热带宽400mm支管轴向外壁温度分布（控制焊缝中心700℃）
图4 加热带宽400mm支管轴向外壁温度分布（控制加热中心700℃）
2.2。3 加热装置宽200mm时接管座焊缝温度场特性
此时加热装置中心与焊缝中心重合。但由于支管在加热装置两端的散热条件不同,支管加热的最高温度位置在轴向朝背离接管座根部的方向偏移（图5).和相同规格的管子局部热处理比，保温区的宽度减小,加热装置两端的温差显著增大。支管沿径向的温差见图6，加热中心和焊缝中心处分别为6。7℃和7.1℃.支管沿周向不存在温差。可见，因散热条件不同引起的温度变化主要表现在支管的轴向。
图5 加热带宽200mm支管轴向外壁温度分布

图6 支管内外壁温差

2.2。4 多管座温度场特性
与单管比，多管同时进行热处理时，接管座根部温度提高,保温范围增加，加热中心偏移量降低，焊缝中心与加热中心的温差减小，但最高温度偏移现象仍未从根本上消除。

2.2.5 主管附加加热时温度场特性
主管附加加热至接管座根部温度到517℃时，加热中心偏离焊缝中心的距离缩小至9mm，加热中心与焊缝中心的温差减少至1℃，外壁700~670℃保温区范围扩大至宽99mm，焊缝处于保温区范围内.可见，主管附加加热的效果是很全面和明显的.
图7 主管附加加热时支管轴向外壁的温度分布

图8 主管附加加热时的内外壁温差

图9 接管座根部温度与热流量的关系

图10 接管座根部温度和加热中心与焊缝中心温差的关系
图11 接管座根部温度与加热中心偏移量的关系

图12 接管座根部温度与保温区宽度的关系

由于接管座安装焊缝作局部热处理时,支管沿轴向向外传递的热量主要是通过接管座根部截面进行，接管座根部温度是衡量主管附加加热程度的重要参数，而且便于监测，故可以接管座的根部温度与各参数建立关系来分析主管加热的效果。图9-12表示接管座根部温度与接管座根部截面中点的热流量、加热中心与焊缝中心的温差、加热中心偏移量和保温区宽度等的关系。
分析图９可看出，随着接管座根部温度升高，从接管座根部截面流出的热量减少。当接管座根部温度达到或接近管子局部热处理时加热装置端部的温度，接管座根部截面流出的热量将与管子局部热处理时加热装置端部流出的热量相当。可见，主管附加加热可有效遏制主、支管因壁厚不同产生的焊缝两侧散热不等.
分析图10－12可看出，随着接管座根部温度升高，加热中心与焊缝中心的温差减少,加热中心朝背离接管座根部方向的偏移量减少。当接管座根部温度接近管子局部热处理时加热装置端部的温度,两者均趋近于零，即这时的焊缝中心温度就是热处理范围内的最高温度。此外，接管座根部温度升高时,接管座安装焊缝热处理的保温区(670～700℃)的宽度亦随着增加。当接管座根部温度接近管子局部热处理时加热装置端部的温度，保温区的宽度与管子局部热处理时的保温区宽度相当。可见，主管附加加热对遏制主、支管因壁厚不同产生的附加散热的效果是全面的。
据此，可参照支管单独局部热处理时的加热装置端部温度，确定接管座根部加热温度。工程应用时，加热中心与焊缝中心温差控制在±1℃以内，加热中心与焊缝中心的偏移控制在±7。5mm以内，保温区宽度占加热装置宽度的50%左右，工程上是完全可以接受的，则根据图9—12及不同的主支管壁厚比，控制主管附加加热温度为520—580℃，可以满足工程要求。

2.2.6 主、支管壁厚比影响
为研究不同规格主、支管搭配对温度场的影响，将主、支管壁厚比作为控制参量进行研究。选择四种不同主管规格，支管规格均为Φ76×17。5,材料为15CrMo，计算结果列入表4。
表4 主、支管壁厚比影响
主管规格(12Cr1MoV）
温度控制
主支管壁厚比
接管座根部温度 ℃
焊缝中心温度 ℃
加热中心与焊缝中心温差 ℃
加热中心偏移量 mm
670～700℃保温区宽度 mm
Φ324×35
加热装置宽200mm，控制最高温度为700℃
2。00
286
680
20
33
80。5
Φ324×50
2。86
266
678
22
34
78
Φ700×70
4。00
230
672
28
37
75
Φ1000×100
5。71
214
670
30
38
75
Φ700×70
主管附加加热。其它同上
4。00
540
699。6
0。4
5
100
从表4看出，主、支管壁厚比从2。0增大到5。71，接管座根部的温度和焊缝中心温度都随之下降，670~700℃保温区宽度缩小，而加热中心与焊缝中心的温差及加热中心偏移量均随之增大。说明主、支管壁厚比增大时，安装焊缝热处理的温度分布将进一步恶化，但变化趋势并不很剧烈.
图13示出了主管附加加热时，支管沿轴向外壁的温度分布，从图中看出，主管附加加热后，加热装置范围的温度分布将明显改善,而且前述各项结论对主、支管不同壁厚比的情况同样适用。

图13 Φ700×70主管附加加热时的温度分布

2.2.7 材料及热处理温度影响
不同的材料，导热系数不同。本文分别用15CrMo和12Cr1MoV，通过对管子局部热处理的热分析进行比较.管子规格为Φ76×17.5，热处理加热装置宽200mm，控制最高温度700℃.计算结果表明，不同材料的影响主要反映在热处理加热时投入热量的多寡，而对加热装置范围内的温度分布影响甚微.15CrMo和12Cr1MoV钢管子在加热装置范围内的温度分布形状相同，两端的温度两者分别为578℃和576℃，670～700℃保温区的宽度分别为105mm和104mm，差别可以忽略。
不同的材料，要求不同的热处理温度。表5列出了不同热处理温度下的温度场特性.计算时,主、支管的规格分别为Φ324×50和Φ76×17.5，材料均为12Cr1MoV钢，加热装置宽200mm。
分析表5，主管未附加加热时，热处理温度升高，加热中心与焊缝中心的温差增大，30℃保温区的宽度减小，但变化均不大,而加热中心的偏移量几乎未变。说明热处理温度的影响甚微。主管附加加热后，加热装置范围的温度分布将明显改善（图14）.它说明，不同热处理温度下，同样可用主管附加加热的措施来改善热处理时的温度分布.
表5 12Cr1MoV钢不同热处理温度影响
温度控制
支管最高温度 ℃
接管座根部温度 ℃
焊缝中心温度 ℃
加热中心与焊缝中心温差 ℃
加热中心偏移量 mm
30℃保温区范围 mm
30℃保温区宽度 mm
主管未附加加热
700
273
682
18
31
91～171
80
720
280
701
19
31
92～170.5
78.5
750
290
730.5
19.5
31
92。5～170
77.5
780
301
760
20
31
93～169
76
主管附加加热
780
580
779。5
0。5
6
84～178
94

图14 780℃热处理温度主管附加加热下的温度分布

３．实验验证
为进一步检验以上计算结果的正确性，在实验室进行了验证实验。主、支管材料均为12Cr1MoV，规格分别为Φ273×28和Φ76×10，支管沿轴向分别距接管座根部0、100、130、160、200mm处装置了5根铠装热电偶（见照片5），测点编号对应为1～5。第一组在支管距接管座根部30～200mm范围内布置主绳状加热器，控制支管热处理温度；在支管0~30mm范围及主管围绕接管座根部呈裙状布置附加绳状加热器（见照片6)，控制接管座根部附加加热温度.第二组在支管距接管座根部0～200mm范围内布置主绳状加热器,控制支管热处理温度;在主管围绕接管座根部呈裙状布置附加绳状加热器.在主、支管加热区均外包石棉保温层。
实验分两部分，首先单独进行主加热器加热，加热速度300℃/h,待距接管座根部100mm处的测点2温度达700℃后保温半小时时测量支管上的温度分布，然后停炉冷却.第二部分是主加热器和附加加热器联合加热,并分别用测点2作主加热器的温度控制点,控制温度为700℃；用测点1作附加加热器的温度控制点；待温度稳定后测量支管上的温度分布.实验结果列入表6。

表6 验证实验结果
组别
测点号
1#
2＃
3#
4＃
5＃
距接管座根部距离 (mm)
0
100
130
160
200
第一组
支管单独加热时的温度 （℃)
230
700
757
740
690
主支管联合加热时的温度(℃）
516
700
707
702
626
第二组
支管单独加热时的温度 （℃)
251
700
728
711
680
主支管联合加热时的温度(℃）
520
700
699
671
597
从表6中可以看出，当支管单独加热时,作为焊缝中心的测点2温度为700℃，两组中支管沿轴向朝背离接管座根部方向的测点3、4的温度均超过700℃，说明加热中心可能在测点3、4之间，即偏移焊缝中心在30mm以上。第一组加热装置中心与焊缝中心不重合，偏离量15mm，加热中心的偏移比第二组更加剧列。主、支管的壁厚比达2。8，使加热中心进一步偏移。当主支管联合加热时，对比主管附加加热前后测点1和测点5的数据可明显看出，附加加热有效遏制了主加热器向主管方向的散热，焊缝中心与测点3、4的最大温差由57℃显著下降到1-7℃。特别是加热装置中心与焊缝中心重合的第二组，焊缝点温度即为热处理范围内最高温度。附加加热的作用与计算结果吻合良好.

照片5 热电偶布置
照片6 加热装置布置

４．结论
4。1 接管座安装焊缝局部热处理时，由于受位置限制和加热装置两端散热条件不同的影响，最高温度不是处于加热装置中心而是沿轴向朝背离接管座根部的方向偏移，因而有可能导致热处理失效或萌生新的缺陷,带来经济损失和安全隐患。
4。2 影响接管座局部热处理温度场的主要因素有：
（1）加热装置的大小及布置对温度场有极大的影响;
(2)多管同时加热，能减小加热中心的偏移，扩大保温区，但不能从根本上改善温度分布；
（3)主、支管壁厚比增加，使温度场分布恶化；
（4）材料及热处理制度对温度场有一定影响，但影响较小，工程上可以忽略；
(5）主管附加加热对温度场有重大影响,它有利于减小最高温度偏移,扩大保温范围。
4.3 以下措施能较好地克服最高温度偏移，并适用于不同材料、不同主支管壁厚比和不同的热处理温度下：
(1)加热装置的中心与焊缝中心重合;
（2)对主管沿接管座根部附加局部加热；
（3)接管座安装焊缝的热处理温度用焊缝中心的温度控制,主管附加加热的温度用接管座根部的温度控制；后者可参照支管单独进行局部热处理时加热装置两端的温度选择,一般为520～580℃。

照片1 单管加热温度云图(加热带宽400mm）
照片2 单管加热温度云图(加热带宽200mm）

照片3 多管加热温度云图
照片4 联合加热温度云图（主、支管加热带各宽200mm）