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管板一次侧堆焊焊后消氢感应加热温度场的数值模拟

0 前言

管板是核电蒸发换热器的核心部件之一,由于反应堆一回路所流介质一般具有腐蚀性,为提高耐蚀性和耐中子辐照性,通常在管板一次侧堆焊镍基合金或不锈钢[1-2]。但堆焊后焊道及其热影响区的氢元素很容易导致氢致裂纹或延迟裂纹[3]。为防止产生氢致裂纹,通常采取焊后低温消氢热处理的方式,即焊后焊缝尚未冷却至100℃以下时,加热到250~400℃保温,加速焊接接头中氢的逸出,达到消氢的目的[4]。工业常用的火焰加热易造成工件氧化污染环境,而陶瓷片电阻加热的能量利用率较低[5]。感应加热作为新型的焊接加热工艺,其工艺灵活、温度易控制、以局部替代整体加热,能根据被加热工件的不同形状设计适合其加热使用的感应器。因此,本文采用感应加热方式作为管板一次侧大面积堆焊焊后消氢热处理的加热方式[6]

近年来,国内外专家学者对不同领域的大型工件感应加热的热过程进行了数值模拟。SHEN等[7]基于FEMLAB有限元软件建立了钢板感应加热温度场模型,得出了感应加热的主要工艺参数对钢板表面温度影响的规律。张洪亮[8]通过APDL语言建立中频感应加热的有限元模型,分析了电流、线圈间隙等工艺参数对45钢直缝焊管中频感应热处理温度场的影响。许武等人[9]通过模拟圆坯感应加热过程电磁场和温度场的分布,分析了感应线圈的匝数和坯料与空气的对流换热对圆坯感应加热温度的影响。张建林等[10]利用有限元软件建立A335 P92钢厚壁管焊接接头感应加热的电磁-热耦合数值模型,研究了加热宽度、线圈匝数等参数对管道局部焊后热处理温度场的影响规律。MAO等[11]建立了316LN不锈钢管道的感应加热模型,分析感应加热电磁场和温度场的分布及影响温度场的不均匀性的因素。目前,大量研究所涉及的工件形状简单,尚未有关于复杂形状结构工件焊后感应加热的电磁-热耦合模型及参数优化。

商业模式专利保护的历史演进与制度思考—— 以中美比较研究为基础........................................................................张 平 石 丹 09.49

本文针对SA508-3管板一次侧堆焊焊后消氢处理的加热问题,研究感应加热过程的感应线圈结构和参数对温度场分布的影响。将对管板焊后感应加热的热处理工艺应用及参数优化提供生产指导和依据。

1 感应加热有限元模型

1.1 物理模型及材料属性

本文研究是感应加热,不考虑感应线圈自身的温度变化对管板温度的影响。研究对象是SA508-3钢管板[12],管板直径3 584 mm,厚度771 mm。电磁-热耦合模型包括管板、感应线圈和保温棉。将感应加热线圈简化为横截面为10 mm×10 mm的正方形。管板底面安装2个感应线圈,管板侧面均匀安装4个线圈。当感应线圈通入中频交变电流时,为降低工件上的温度对感应线圈内电流的影响,在管板表面包裹一层厚20 mm的保温棉。由于管板呈对称结构,为简化计算,取管板的1/2进行模拟,三维模型如图1所示。

呼吸机相关性肺炎是指患者在机械通气48小时后至拔管后48小时内出现的肺炎,作为一种机械通气过程中常见的并发症,一般情况较为严重,且易导致脱机困难,增加住院时间,甚至可能威胁生命[1]。近年来,临床护理提出了集束干预护理措施,为了适应时代的发展,该措施集合了有循证依据的治疗方法及护理措施,用以改善患者临床治疗效果。基于此,本文选取2016年9月至2017年9月100例呼吸机相关性肺炎患者,探讨并研究应用集束化护理措施对降低呼吸机相关性肺炎的护理效果,现报道如下。

图1 线圈、保温棉和管板装配示意

定义与电磁场相关的材料的物理属性:感应线圈的相对磁导率为0.99,电阻率为1.75×10-6Ω·m,保温棉和空气的相对电阻率为恒定值1。由于模拟结果是计算工件的温度分布,计算温度场需要定义SA508-3钢的电阻率和相对磁导率等物性参数,如表1所示。

1.2 数学模型及边界条件

电磁感应中的电磁场可用麦克斯韦方程组[13]进行描述,包括:安培环路定律、法拉第电磁感应定律、高斯电通定律和高斯磁通定律。并引入拉普拉斯算子▽表示上述方程,其微分形式分别对应如下:

表1 SA508-3钢的物理参数

温度T/℃20 100 200 300 400 500 600 700 720 742 760 800 900 1 000相对磁导率200 195 186.6 178.1 167.1 154.9 137.8 92.5 33 11 1111电阻率/×10-6Ω·m 0.198 0.254 0.339 0.435 0.541 0.656 0.790 0.949 0.982 1.019 1.042 1.080 1.162 1.200导热系数/W·(m·K)-1 47.68 43.53 40.44 38.13 36.02 34.16 31.98 28.66 27.49 26.20 25.14 26.49 25.92 24.02比热容Cp/J·(kg·K)-1 472 480 498 524 560 615 700 854 916 986 1 064 806 637 602泊松比0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.28 0.29 0.30 0.29 0.29 0.31 0.31 0.33 0.35

式中 H为磁场强度矢量(单位:A/m);J为传导电流密度矢量(单位:A/m2);Js为源电流密度矢量(单位:A/m2);Je为感应涡流密度矢量(单位:A/m)2;E为电场强度矢量(单位:V/m);D为电通密度矢量(单位:C/m2);B 为磁感应强度矢量(单位:T);

为位移电流的密度矢量(单位:A/m2);ρ为电荷体密度(单位:C/m2)。

管板产生感应涡流相当于内热源,热量通过热传导的方式导热,工件温度随时间变化,因此感应热过程是一个非线性瞬态热传导过程,其控制方程为:

式中 ρ为密度(单位:kg/m3);Cp为比热容[单位:J/(kg·℃)];λ 为导热系数[单位:W/(m·℃)];T 为温度(单位:℃);t为时间(单位:s);qv为涡流产生的内热源(单位:W/m3)。

“金钉子”是全球标准层型剖面和点位的俗称。1997年,浙江省常山县黄泥塘下—中奥陶统地层剖面被国际地质科学联合会(IUGS)批准为“达瑞威尔阶全球界线层型剖面和点(GSSP)”(金钉子剖面),成为中国第一枚“金钉子”。

采用顺序耦合法进行数值分析。感应加热数值模拟的边界条件分为电磁场的边界条件和温度场的边界条件。电磁场中,只需在空气模型外施加磁力线平行条件,保证磁力线与工件轴向平行。温度场中,将空气、保温棉和线圈模型的单元模型都设置为空(NULL),只考虑工件温度场。工件与周围的空气之间存在对流换热,因此采用第三类边界条件:

式中β为表面换热系数[单位:W/(m2·℃)];Tα为周围介质温度(单位:℃);Ts为工件边界温度(单位:℃)。

1.3 单元类型及网格划分

建立模型后进行有限元选择和网格划分。选择的单元类型和材料属性如表2所示。

表2 感应加热模型各个部分的单元类型与材料属性

注:RSVX为电阻率;MURX为相对磁导率;Kxx为热导率;enth为焓值。

物理场 电磁场 温度场工件线圈保温棉空气单元类型Solid236 Solid236 Solid236 Solid236材料属性MURX,RSVX MURX MURX无单元类型Solid70 NULL NULL NULL材料属性Kxx,enth无无无

使用自由化分和扫略划分两种方法对管板感应加热模型进行划分网格。保温棉、感应线圈及空气域不是本文研究的重点,网格划分适当稀疏,最终网格划分如图2所示。

2 计算结果与讨论

采用ANSYS求解电磁场和温度场的基本流程如图3所示。

由于径向波导的空间轴向对称结构,因此各支路具有良好的相位和幅度一致性,所以我们将24波导输出口均匀地分布在四周。其主要结构包括输出波导端口,波导同轴转换,多节阻抗过度变换,输入波导支路,功率合成器整体结构示意图及关键结构剖面图如图1(a)及图1(b)所示。

由于管板的感应加热温度分布受线圈结构的影响,且管板的直径和厚度较大,因此首先要选取适当的感应加热方式。本文对比了采用底面或侧边单独感应加热方式和同时加热方式时,管板最终的感应加热温度分布情况。

感应线圈产生感应磁场的强弱将影响管板表面感应涡流的大小,从而影响被加热工件的温度分布,分析工件感应加热温度场分布,首先要分析电磁场的影响因素。

2.1 电磁场分析

经多次计算对比,选取感应线圈电流为145 A,频率10 kHz,侧面感应线圈匝数为9,底面感应线圈匝数为11。当只在底面或侧面安置感应线圈产生的感应磁场分布如图4所示。

图2 模型网格划分

图3 电磁感应加热流程

图4a为安装管板侧面的感应线圈时,感应线圈的交变电流在管板侧面产生的感应磁场以辐射状向四周扩散,磁场强度向四周逐渐升高。磁场的形状和线圈的形状相似,感应磁场主要集中在管板圆周的表层,中心处磁场强度几乎为零。

由图4b可知,管板底面产生的磁场以辐射状向四周扩散,感应磁场中间强度小,往四周磁场强度逐渐升高,感应磁场只分布在底面的表层,磁场与线圈的形状相似。

图4 单侧感应线圈产生的感应磁场

当管板同时安装侧面和底面的感应加热线圈时,管板感应磁场分布如图5所示。

楼市的严格调控效应已传导至土地市场。住房销售市场遇冷让高价拿地的开发商“套牢”,房企在拿地方面变得谨慎理性,土拍市场热度也随之退却。

由图5a可知,管板底面和侧面同时产生的感应磁场以辐射状向四周扩散,磁场形状和感应线圈的形状一致相互叠加,感应磁场在管板表面产生感应涡流(见图5b),感应涡流使管板温度升温并向管板上表面传导。

“三农”问题关系着国计民生的根本性问题,没有现代化的农村就没有现代化的国家。2018年中央发布了关于乡村振兴的一号文件,提出了乡村振兴的七大基本原则。自改革开放以来一些地区由于自生优势和政策优势搭上快车得到了快速的发展,但是一些偏远农村地区却逐渐掉了队。近几年来国家通过一些列的政策来帮助农村地区的发展,从而达到真正的脱贫。通过这一列的政策,也对农村经济产生巨大的影响。

2.2 温度场分析

感应加热前设置管板室温为25℃,感应加热过程温度逐渐升高,当管板各部分的温度达到350~400℃时即可满足消氢处理要求。分别在管板侧面和底面安置感应线圈,感应加热5 400 s后,产生的感应温度场如图6所示。

在感应加热过程中,温度场的分布具有明显的集肤效应和圆环效应,管板在靠近感应线圈的位置温度最高,距离线圈越远则温度越低。

王超,范雪冰,佟首峰,等.空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素[J].光子学报,2018,47(11):1206001

图5 管板感应磁场及感应涡流

图6 感应加热5 400 s温度场分布云图

图6a是侧面安置感应线圈的温度分布,5 400 s后管板侧面的温度达到约350℃,达到加热工艺要求,而靠近中心温度只有约200℃。图6b为底面安置感应线圈的温度分布,5 400 s后管板底面温度达到约380℃,但是温度只传导至管板厚度方向的一半区域,只有约250℃,且管板上表面还没加热到。

星光村留守的村民以老人、妇女和小孩居多,青壮年常年在外求学、务工、创业,要靠村民自身力量发展乡村旅游产业,既缺资金又缺理念。当地政府抓住“四好村”示范建设机遇,以发展乡村旅游为目标改造乡村基础设施和配套设施,打下了招商引资的环境基础,对企业产生了极大的吸引力。通过给予入驻企业房租补贴、装修补贴,累计投资金额补贴等直接的资金扶持,极大地降低了企业的投资成本和压力。

由此可见,当管板感应加热只安装侧面或底面的线圈时,由于感应加热的集肤效应和圆环效应,管板靠近感应线圈的位置温度最高,向管板圆心径向或管板厚度方向温度逐渐降低,无法满足整体加热要求。管板同时安装侧面和底面感应线圈时加热过程不同时刻的温度分布如图7所示。

由图7可知,同时安装侧面和底面感应线圈进行加热后,整体升温速度很快,管板的温度分布与分别安装侧面和底面线圈加热效果有叠加效果。随着感应加热时间的增加,管板的温度越高,温度扩散范围越大,当感应加热时间4 800 s后,管板高温区的温度达到380℃,低温区温度达到300℃,管板整体的温度分布能满足焊后热处理的工艺要求。

为了更好地分析管板的温度分布规律,图8为将1/2管板沿着中心径向剖开,分别在管板的上层(A)、中心层(B)和底层(C)沿管板圆心到管板外壁方向均匀选取8个点,观察管板感应加热后的温度分布情况。温度分布对应曲线如图9所示。

在小学体育教学中,足球教学是不可或缺的重要组成部分,对于学生的身心发展有着重要的意义。同时,小学足球教学效果还承担着培养学生足球兴趣的责任,是为我国培养足球运动人才的首要阶段。但目前来说,小学体育足球教学中还存在着许多的问题和不足,影响了学生足球运动能力的提高,也限制了体育课堂的总体教学效果。因此,小学体育教师应不断提高自身的教学能力,引入现代化的教育理念和教学方式,反思和优化当前的足球教学模式,使其更加符合新时期小学体育教学的要求和学生身心发展的需要,促进学生足球运动能力的提升。

从图9管板上层A、中心层B和底层C的温度分布趋势可知,管板底面和侧面越靠近感应线圈的位置温度越高,管板的上表面是通过侧面和底面的高温热传导加热,温度较低一些。管板高温区温度达到370℃,上表面低温区温度达到300℃,整体的温度满足管板一次侧堆焊焊后感应加热工艺要求,能实现焊后消氢处理。

3 实验验证

通过测试实际筒体内壁堆焊焊后感应加热的温度,验证数值模拟计算的准确性。实验参数与模拟计算的参数相同,对比测量结果与模拟结果,分析数值模拟温度的准确性。

管板一次侧堆焊焊后感应加热的参数包括中频电源参数和感应线圈参数:电源电流145 A,频率10 kHz,侧面感应线圈匝数为9匝,底面感应线圈的匝数为11匝。为了与模拟结果统一,管板的尺寸参数与数值分析模型相同,管板直径3584mm,厚度771mm,根据假设条件,选取1/2管板进行测温分析。

用热电偶测量感应加热过程中管板不同位置的温度分布,由于管板厚度大,分别在5个测温点对应的管板底面和上表面进行测温,如图10所示。

图7 管板感应加热过程温度场分布云图(单位:℃)

图8 管板剖面

在感应加热4 800 s后,管板测温结果和模拟结果对比如图11所示。

农村的教育体系比较落后,学校教育和家庭教育相对于城市里来说,也存在一定的差距,所以需要双面提高要想使班级具有很强的凝聚力,教师善于建造平等和谐的班级,建立平等的师生关系。首先,必须尊重学生。尊重学生要以信任学生和理解学生为前提,将学生看作是一个平等的对象来看待。古人韩愈就有“弟子不必不如师,师不必贤于弟子,闻道有先后,术业有专攻,如是而已”的说法。其次,教师关心学生不应表现在语言上,更重要的是要落实到行动上。从小事做起,从点滴做起,使学生无时无刻不感受到教师的关心与爱护。

图9 管板厚度方向温度分布曲线

图10 测温点

图11 实验结果与模拟结果对比

图11a是感应加热后管板底面实验测温和模拟温度的对比,管板底面实验温度和模拟温度的趋势是相同的,实验测温比模拟温度低5℃,温差在合理的范围内。图11b是感应加热后管板上表面实验测温和模拟温度的对比,与图11a相比,管板上表面的温度比底面温度低10℃,这也符合感应加热的特点,管板上表面实验测温和模拟温度分布基本吻合。因此,感应加热后管板的总体温度分布可以满足管板一次侧堆焊焊后消氢的加热工艺要求。

综上所述,管板感应加热后实验和模拟温度趋势基本吻合,存在约5℃的温差。由于模拟是在理想环境下进行的,实际感应加热管板材料的热物性参数随温度变化不规则,测温元件的误差、环境温度的变换都会对测温产生一定的影响。

4 结论

通过设计管板感应加热线圈的形状,对管板堆焊焊后感应加热温度场进行电磁-热耦合场的数值分析,计算温度场的分布情况。

(1)侧面感应线圈只在管板的侧面表层产生感应磁场,底面感应线圈只在管板的底面表层产生感应磁场,感应磁场的形状与感应线圈的形状相似,感应磁场中间强度小,往四周磁场强度逐渐升高,中心处磁场强度几乎为零。被加热工件中感应磁场的分布决定了感应涡流的分布。

(2)侧面和底面感应线圈同时对管板进行感应加热的效果高于侧面和底面感应线圈分别对管板加热的效果,感应磁场和感应涡流相叠加,管板的升温速度更快,管板的温度分布均匀,管板上表面的温度高。

(3)当感应线圈电流145A、频率10kHz,侧面感应线圈的匝数为9匝,底面感应线圈的匝数为11匝时,筒体感应加热4800s后高温区温度达到380℃,低温区温度约300℃,管板的温度分布满足管板一次侧大面积堆焊焊后感应加热工艺要求。

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