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筒體內壁堆焊焊后消氫感應加熱溫度場的數值模擬

來源:核心期刊咨詢網位置:理工論文時間:2019-11-13 10:2312

  摘要:采用有限元方法對堆芯補水箱筒體內壁堆焊焊后消氫感應加熱溫度場進行了數值分析。針對筒體的結構特點,設計了一種加寬的C型感應線圈。研究了感應線圈的匝數、線圈與筒體的距離、線圈電流、電流頻率對筒體溫度分布的影響。結果表明,感應線圈的形狀決定了筒體溫度場分布的形態,線圈中心對應筒體的溫度比四周的溫度高。線圈匝數、線圈電流和電流頻率越大,筒體升溫速度越快,溫度分布越均勻。當線圈電流為215 A、電流頻率為10 kHz、線圈匝數為15匝、線圈與筒體之間的距離為25 mm時,筒體加熱時的溫度分布均勻性較好,能夠滿足焊后消氫的工藝要求。筒體感應加熱試驗的結果表明,模擬溫度與試驗溫度變化趨勢相同,溫度值較為吻合。

  關鍵詞:感應加熱;筒體;消氫;數值分析;溫度場

電焊機

  0 前言

  核電站一回路系統中的堆芯補水箱筒體需要在高溫、高壓、腐蝕性環境下長期工作,通常采取在筒體內壁堆焊鎳基或不銹鋼合金來提高筒體的耐蝕性和耐熱性[1-2]。堆焊作業后氫氣容易在焊接區域聚集析出,形成氫致裂紋,因此需要對堆焊后的筒體進行整體消氫處理[3]。常規的消氫工藝是焊后將筒體加熱到250~400 ℃,保溫2 h。

  目前,工業中對大型工件焊后消氫的加熱方式有火焰加熱、電阻加熱和感應加熱。火焰加熱操作簡單,但是能量利用率較低,成本高且環境污染嚴重;電阻加熱是通過電阻絲或電阻片來加熱工件,工件升溫速度慢,熱效率低,維護成本高[4-6];電磁感應加熱具有加熱效率高、控溫精確、綠色環保等優點[7]。因此,采用電磁感應加熱的方式對堆焊后的筒體進行整體消氫熱處理。

  國內外眾多學者對感應加熱過程中電磁場和溫度場進行了大量的數值模擬研究。章德斌[8]用Marc有限元分析軟件模擬了軸類零件感應加熱溫度場的分布情況,結果表明,電流控制溫度的加熱深度隨著加熱時間的延長,零件內部溫度逐漸升高。A. O. Glebov 等人[9]采用有限元分析的方法,研究了鐵磁板在感應加熱過程中的溫度場分布,提出了一種用線性微分方程計算鐵磁體中渦流三維場的方法,使計算時間減少了一個數量級以上。Zhu Hongda等人[10]建立了電磁場和溫度場耦合的數學模型來計算鋼坯熱擠壓感應加熱過程。將模擬結果與物理建模過程中記錄的溫度測量值進行比較,驗證了該數學模型的有效性。

  文中以堆芯補水箱筒體內壁堆焊的電磁感應加熱消氫工藝為研究對象,基于ANSYS有限元軟件建立三維瞬態電磁-熱耦合模型,對筒體內壁堆焊焊后感應加熱溫度場進行數值模擬,分析感應加熱工藝參數對筒體溫度場的影響規律。

  1 有限元模型的建立

  1.1 實體模型

  堆芯補水箱筒體的內徑為2 580 mm,壁厚120 mm,長度為3 640 mm,材質為SA5083鋼。由于筒體長度較大,故分節進行感應加熱,每節長1 500 mm。筒體圓周方向安裝4個相同的橫截面為10 mm×10 mm的正方形感應線圈。線圈采用TP2紫銅線制作,長度、寬度各為1 000 mm,呈C型且覆蓋1/4筒體表面。在筒體和感應線圈之間敷設一層20 mm厚的硅酸鋁纖維保溫棉,用于保溫和防護線圈受熱。考慮到線圈和工件的對稱性,為了簡化模型提高計算效率,只取1/4筒體進行計算。線圈、保溫棉和筒體的相對位置,如圖1所示。

  1.2 數學模型和邊界條件

  感應加熱過程中,工件中渦流產生的單位體積發熱功率為:

  1.3 材料屬性

  電磁感應加熱過程中各個材料的物理參數隨著溫度變化呈非線性變化,因此需要不斷更新相關材料的物理屬性。感應線圈的相對磁導率為0.99 H/m,電阻率為1.75×10-6 Ω·m。保溫棉和空氣的相對電阻率為恒定值1,熱導率見表1,SA5083鋼的熱物理性能參數見表2。

  1.4 單元類型及網格劃分

  物理模型建立后,需要進行單元類型選擇和網格劃分。在計算電磁場時,筒體、線圈和保溫棉網格的單元類型均設為Solid236。由于只研究筒體的溫度分布,在計算溫度場時,將不考慮部分的網格設置為空單元Null,將筒體網格設為Solid70。感應加熱時,感應渦流僅透入工件幾毫米深,熱量沿工件橫向傳導并加熱工件,因此需細化工件沿橫向劃分的網格,而線圈和保溫棉的網格可以疏松一些。模型整體的網格劃分為108 925個節點和80 426個單元,如圖2所示。

  1.5 電磁-熱耦合計算

  劃分完網格需要對模型加載計算條件,文中使用的是APDL命令流的形式進行模擬分析,主要的加載參數是電流大小、頻率和加熱時間。首先設置磁力平衡條件,如果沒有error提示,模型進入電磁場分析環節,當電磁場收斂后進入溫度場耦合求解,否則繼續磁場計算,直到收斂。計算結束后,得到溫度場(.rth)和電磁場(.rst)兩個文件。

  2 感應加熱溫度場模擬結果分析

  2.1 感應磁場

  感應磁場通過控制感應渦流的大小影響工件溫度場,因此分析溫度場前,要先分析電磁場。對線圈通入電流215 A、電流頻率10 kHz、加熱3 600 s后,分析線圈15匝時對磁場分布的影響規律,如圖3所示。由圖3a可知,磁場以輻射狀向四周擴散,強度由中間往四周逐漸升高,在兩端達到最高。由圖3b可知,磁場主要集中在工件的表面。

  2.2 感應渦流

  感應加熱過程中,筒體升溫的內熱源是感應渦流,渦流回路產生焦耳熱對筒體進行加熱。當線圈電流215 A、電流頻率10 kHz、線圈匝數15匝時,加熱3 600 s后,筒體感應渦流的分布,如圖4所示。

  通過比較圖3和圖4可知,渦流和磁場的分布形狀和線圈形狀相似,其中渦流在筒體外壁表面形成回路產生熱量,且中心位置的渦流較小。因此,線圈結構決定磁場和渦流形狀,從而決定筒體加熱后的溫度分布。

  2.3 溫度場分析

  線圈結構決定了筒體加熱后溫度分布。因此本節研究線圈匝數、線圈電流、電流頻率和線圈與筒體加熱距離對溫度分布的影響,通過參數優化,使筒體溫度達到250~400 ℃的消氫技術要求。

  2.3.1 線圈匝數對溫度場的影響

  線圈匝數是控制線圈加熱范圍和加熱均勻性的重要參數,研究在其它參數不變的情況下,線圈匝數對溫度場的影響。圖5為不同匝數下筒體外壁溫度分布。所選取線圈電流215 A,電流頻率10 kHz,分別研究線圈匝數為5匝、10匝和15匝時,加熱3 600 s后,筒體表面溫度分布結果。由圖5可知,線圈匝數為5匝時,筒體中心溫度為140 ℃左右,四周溫度高于169 ℃,高溫區溫度達到187 ℃,溫度分布不均勻,說明感應渦流沒有形成較好的回路。線圈的匝數越大,筒體的加熱溫度越高,溫度分布越規則。當線圈匝數為15匝時,筒體的高溫區集中在線圈正下方,最高溫度為360 ℃,四周溫度最低為280 ℃,筒體溫度滿足焊后消氫工藝的要求。

  為了便于分析,將筒體沿軸向剖開,并沿軸向依次取10個均勻分布于筒體表面的測溫點,觀察筒體軸向的溫度分布曲線,如圖6所示。由圖6可知,線圈匝數為5匝時,筒體溫度偏低,在200 ℃以下;線圈匝數為10匝時,筒體溫度有一部分在250 ℃以下;線圈匝數為15匝時,筒體溫度在250~400 ℃范圍內,滿足焊后消氫的工藝要求。

  綜上所述,線圈的匝數越多,在筒體表

  面產生的磁通密度越大,感應渦流越大,工件溫度升高,筒體中心區域溫度擴展越快,加熱效率越高。

  2.3.2 線圈電流對溫度場的影響

  線圈電流也是電磁感應加熱的重要參數,通過改變電流的大小可以控制感應加熱的時間和溫度。上節分析表明,線圈匝數為15匝的加熱效果最佳。故本節選取線圈匝數15匝、電流頻率10 kHz、線圈電流分別為115 A,165 A,215 A,265 A和315 A,加熱3 600 s后,分析不同電流時筒體外壁和內壁感應加熱溫度分布的規律,如圖7~8所示。由圖7和圖8可知,線圈電流115 A時,筒體表面溫度很低。隨著線圈電流增大,內壁面溫度越來越高,溫度分布也逐漸均勻;當線圈電流為215 A時,筒體高溫區溫度為362 ℃,低溫區溫度為271 ℃,內、外壁溫度分布均勻;而當線圈電流增加到315 A時,溫度分布不均勻且已經超過了工藝要求。

  推薦閱讀:《電焊機》(月刊)創刊于1971年,由成都電焊機研究所主辦。

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