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    電加熱管中頻感應加熱彎管熱應力分析

    2019-11-15

          隨著石油與天然氣需求量迅速增長,全球范圍內對它們的開發利用不斷普及與深化。目前,世界上85%以上的石油、100%的天然氣都使用管線運輸,管線運輸與鐵路、公路、海運及空運這幾種傳統運輸方式并稱五大運輸方式,其具有安全性高、輸送成本低、環保價值大、基礎投資少、自動化能力強等獨特優勢,尤其適合石油、天然氣等高危險性流體的遠距離輸送。在管線建設中,大直徑薄壁彎管主要起轉向作用,是影響整個管線運輸安全的關鍵因素,由于現階段管線運輸發展的主要趨勢是長距離、高輸送壓力、大.直徑(φ610mm~ 1524mm)以及用于自然條件惡劣的地帶”4。因此,目前的發展趨勢對大直徑薄壁彎管的加工質量有了更高的要求。

     

          中頻感應加熱彎管技術是目前大直徑薄壁彎管加工的常用技術,該技術具有加熱迅速、冷卻快、壁厚減薄較小以及彎曲半徑方便調整等優點。在加工大直徑薄壁彎管時,不僅要求設備能使管材達到--定的溫度時內外壁的溫差小,而且還需要液壓缸推制速度與加熱溫度能夠理想的匹配。因此,在大直徑彎管制作時能否使管材感應加熱的溫度在管材中較為均勻的升高是保證彎管加工質量的關鍵。要使管材中加熱的溫度能夠較為均勻地上升,讓管材達到理想的加工溫度,關鍵的是如何合理選擇電流頻率、電流密度及工件與感應線圈之間的空氣間隙等工藝參數。然而目前大多數加工人員在選擇大直徑管材中頻感應加熱的工藝參數時僅憑經驗而定,加工效率低且彎管質量差,這與大直徑薄壁彎管要求的高質量、低成本相去甚遠。

     

          此外,在彎管感應加熱成形時,由于感應加熱過程中集膚效應、鄰近效應等的影響使得管材中溫度升高并不均勻,這種較大的溫度梯度造成管材不均勻熱膨脹,從而在管材中產生熱應力,且由于高溫下材料的屈服強度較低,在熱應力的作用下管材容易發生塑性變形甚至產生裂紋,會影響彎管質量,降低其使用壽命。因此,對加熱后管材中熱應力的分布規律以及產生的形變進行研究在油氣管道的壽命預測上是極為重要的。利用數值仿真的方法對大直徑管材中頻感應加熱成形過程中電磁場、溫度場以及應力場的求解十分復雜,具體體現為:

    (1 )加熱模型簡化的復雜性;

     

    2)材料自身物理屬性隨溫度變化的復雜性;

     

    (3)數值仿真時多場耦合的復雜性。

     

          目前,工程技術人員對于大直徑管材感應加熱成形過程中磁.熱力的變化規律缺乏完整性的探究,對于彎管加工制作時加熱工藝參數的選取缺少詳細的理論支持,并且沒有提出有效的優化規則對工藝參數進行優化,從而導致在感應加熱時無法讓管材達到理想的加熱效果,導致由于管材中溫度和應力的不均勻而影響到彎管的加工質量與使用壽命。

     

          綜上所述,為了提高彎管的加工質量和使用壽命,對大直徑管材在中頻感應加熱過程中的溫升規律及產生的熱應力進行探究是極為必要的。本文結合電磁學、傳熱學以及熱彈塑性等理論,使用ABAQUS數值仿真軟件建立大直徑管材感應加熱過程中磁--力多場耦合的分析模型,分析中頻感應加熱過程中各工藝參數對管材加熱效果的影響,尋找工藝參數與加熱溫度之間的定量關系,優化加熱工藝參數,并分析管材感應加熱過程中應力應變的分布規律,具有以下意義:

     

          (1 )可以有效地指導大直徑彎管實際加工過程中工藝參數的選擇,提高彎管的質量和生產效率;

     

          (2)減少大直徑彎管的生產成本,對節約資源和提高經濟效益具有重要意義;(3)能夠為中頻感應加熱彎管設備的優化設計提供一定的基礎;

     

          (4)可以為管材的壽命預測提供一-定 的理論基礎,從而避免重大事故,對于管材安全服役具有重大意義;

     

          (5)研究成果對于推動數值模擬分析與工程實踐技術的有效結合、互相補充發展具-定的現實意義。

     


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