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              电加热管中频感应加热弯管热应力分析

              2019-11-15

                    随着石油与天然气需求量迅速增长,全球范围内对它们的开发利用不断普及与深化。目前,世界上85%以上的石油、100%的天然气都使用管线运输,管线运输与铁路、公路、海运及空运这几种传统运输方式并称五大运输方式,其具有安全性高、输送成本低、环保价值大、基础投资少、自动化能力强等独特优势,尤其适合石油、天然气等高危险性流体的远距离输送。在管线建设中,大直径薄壁弯管主要起转向作用,是影响整个管线运输安全的关键因素,由于现阶段管线运输发展的主要趋势是长距离、高输送压力、大.直径(φ610mm~ 1524mm)以及用于自然条件恶劣的地带”4。因此,目前的发展趋势对大直径薄壁弯管的加工质量有了更高的要求。

               

                    中频感应加热弯管技术是目前大直径薄壁弯管加工的常用技术,该技术具有加热迅速、冷却快、壁厚减薄较小以及弯曲半径方便调整等优点。在加工大直径薄壁弯管时,不仅要求设备能使管材达到--定的温度时内外壁的温差小,而且还需要液压缸推制速度与加热温度能够理想的匹配。因此,在大直径弯管制作时能否使管材感应加热的温度在管材中较为均匀的升高是保证弯管加工质量的关键。要使管材中加热的温度能够较为均匀地上升,让管材达到理想的加工温度,关键的是如何合理选择电流频率、电流密度及工件与感应线圈之间的空气间隙等工艺参数。然而目前大多数加工人员在选择大直径管材中频感应加热的工艺参数时仅凭经验而定,加工效率低且弯管质量差,这与大直径薄壁弯管要求的高质量、低成本相去甚远。

               

                    此外,在弯管感应加热成形时,由于感应加热过程中集肤效应、邻近效应等的影响使得管材中温度升高并不均匀,这种较大的温度梯度造成管材不均匀热膨胀,从而在管材中产生热应力,且由于高温下材料的屈服强度较低,在热应力的作用下管材容易发生塑性变形甚至产生裂纹,会影响弯管质量,降低其使用寿命。因此,对加热后管材中热应力的分布规律以及产生的形变进行研究在油气管道的寿命预测上是极为重要的。利用数值仿真的方法对大直径管材中频感应加热成形过程中电磁场、温度场以及应力场的求解十分复杂,具体体现为:

              (1 )加热模型简化的复杂性;

               

              2)材料自身物理属性随温度变化的复杂性;

               

              (3)数值仿真时多场耦合的复杂性。

               

                    目前,工程技术人员对于大直径管材感应加热成形过程中磁.热力的变化规律缺乏完整性的探究,对于弯管加工制作时加热工艺参数的选取缺少详细的理论支持,并且没有提出有效的优化规则对工艺参数进行优化,从而导致在感应加热时无法让管材达到理想的加热效果,导致由于管材中温度和应力的不均匀而影响到弯管的加工质量与使用寿命。

               

                    综上所述,为了提高弯管的加工质量和使用寿命,对大直径管材在中频感应加热过程中的温升规律及产生的热应力进行探究是极为必要的。本文结合电磁学、传热学以及热弹塑性等理论,使用ABAQUS数值仿真软件建立大直径管材感应加热过程中磁--力多场耦合的分析模型,分析中频感应加热过程中各工艺参数对管材加热效果的影响,寻找工艺参数与加热温度之间的定量关系,优化加热工艺参数,并分析管材感应加热过程中应力应变的分布规律,具有以下意义:

               

                    (1 )可以有效地指导大直径弯管实际加工过程中工艺参数的选择,提高弯管的质量和生产效率;

               

                    (2)减少大直径弯管的生产成本,对节约资源和提高经济效益具有重要意义;(3)能够为中频感应加热弯管设备的优化设计提供一定的基础;

               

                    (4)可以为管材的寿命预测提供一-定 的理论基础,从而避免重大事故,对于管材安全服役具有重大意义;

               

                    (5)研究成果对于推动数值模拟分析与工程实践技术的有效结合、互相补充发展具-定的现实意义。

               


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