（钢铁冶金专业论文）球罐焊后整体热处理自动控制系统设计.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 球罐焊后整体热处理自动控制系统设计 摘要 球形储罐的安全使用是一个至关重要的问题，而造成球形储罐破裂失败的主要 原因是其本身存在的焊接残余应力。本论文分析了消除残余应力不从心主要工艺手 段球形储罐焊后整体热处理( 燃油高速喷嘴内部燃烧法) 的特点、机理以及存在 的问题，对球形储罐焊后整体热处理的微型计算机自动控制系统进行了设计和研制。 并着重对此自动控制系统软、硬件及系统的控制算法给予讨论，为进一步在现场实 现实时控制奠定了基础。 本系统采用p l c 智能控温模块对球罐的焊后整体热处理过程进行控温，采用 p l c 智能位置闭环控制模块对油阀和风阀进行控制，同时采用w m c c 6 0 开发系统界 面，系统界面可以同时对2 0 个测温点的温度进行显示。在p l c 中利用其内部提供 的c 脚本，采用增量式p i d 控制算法，设计了控温程序。软件基本实现了对整个热 处理过程的温度控制，并用m a t i a b 语言对该系统进行了仿真运行，优化了选取的 参数。进而，提出了另外一种更佳的复合自适应f u z z y - - p i d 控制发案，提高了系 统的控制质量。监控界面系统实现了系统参数和测温系统采集的数据动态实时显示， 也能对温度控制曲线进行实时显示，尤其可以对热处理过程的每一时刻温度进行精 确描述。在球罐焊后整体热处理自动控制系统硬件上，采用了球罐焊后整体热处理 ( 手动系统) 应用多年的成熟部件，增加了系统的可靠性及使用性。 本系统对提高球形储罐焊后整体热处理的质量节约能源减轻操作人员劳动强 度，进一步提高我国球储罐焊后整体热处理技术的实力和水平具有重大意义，为今 后开发多功能控制奠定了基础。 关键词：焊后整体热处理，p i d 控制算法，自适应f u z z y - - p d ) 控制算法， 系统界面 东北大学硕士学位论文 a b s t r a e t a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fw h o l ep o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t o f s p h e r i c a lt a n k s a b s t r a c t t h es e c u r ee m p l o y m e n to fs p h e r i c a lt a n k si sam a t t e ro fg r e a ti m p o r t a n c e ，b u to n eo f t h em a i nr e a s o n st h a tw i l lc a u s eb u r s ta n di n v a l i d a t i o no fs p h e r i c a lt a n ki sw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，h e a tt r e a t m e n tt h a tw a su s e dt oe l i m i n a t er e s i d u a ls t r e s s o ft h es p h e r i c a lt a n kw a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r , m e c h a n i s ma n de x i s t i n gp r o b l e mo f w h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n t ( i n t e r n a lc o m b u s t i o nw i t hh i g h - s p e e ds p r a yn o z z l e ) o f s p h e r i c a lt a n kw a ss t u d i e d ，t h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fw h o l ep o s t - w e l dh e a t t r e a t m e n to fs p h e r i c a lt a n k sw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，a n dt h es o f t w a r e ，h a r d w a r ea n d a l g o r i t h mo f a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw a sd i s c u s s e d t h e s eh a v el a i dt h ef o u n d a t i o nf o r r e a l i z i n gt h ec o n t r o lo ns c e n e t h et e m p e r a t u r eo f w h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n to f s p h e r i c a lt a n k sw a sc o n t r o l l e d b yp l c ( i n t e l l i g e n tm o d u l eo fc o n t r o lt e m p e r a t u r e ) a n dw i n dv a l v ea n do i lv a l v ew a s c o n t r o l l e db yp l c ( i n t e l l i g e n tm o d u l eo fc o n t r o l l i n gp o s i t i o ni nc i r c l e s ) ，i n t e r f a c eo ft h e p r o g r a m sc o n t r o ls y s t e ms o f c w a r et h a tc a l ld i s p l a y2 0t e m p e r a t u r ea r o u n ds p h e r i c a lt a n k s a tt h es a l l l et i m ew a sd e v e l o p e db yw i n c e 6 0 i np l ct h ea u t h o rd e v e l o p e dc o n t r o l t e m p e r a t u r es o f t w a r ei ns c e n a r i oca n dt a k ea d v a n t a g eo fp i dc o n t r o la l g o r i t h m i tc a l l r e a l i z ec o n t r o l t e m p e r a t u r ei nt h ep r o c e s so fw h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n t ；a l s o s i m u l a t i o no fs y s t e mo p e r a t i o nw a sc a r r i e do u ti nm a t l a b t h r o u g hs i m u l a t i o n ，s y s t e m p a r a m e t e rw a so p t i m i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ea u t h o rp r o v i d ea n o t h e rc o n t r o lm e t h o d - - c o m p o u n d e da d a p t i v ef u z z y - p i di no r d e rt oi n c r e a s et h eq u a l i t yo fc o n t r o ls y s t e m s y s t e mi n t e r f a c e c a nd i s p l a yp a r a m e t e ro fs y s t e ma n dd a t ag a t h e r e db ym e a s u r e t e m p e r a t u r e ss y s t e ma n dc o n t r o lt e m p e r a t u r e sc u r v ed y n a m i c a l l y s p e c i a li tm a yd i s p l a y t h ep r e c i s et e m p e r a t u r eo f t h eg i v e nm o m e n to ft h ew h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n t st h e p r o c e s s t h ea u t h o ra p p l i e dw h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n to fs p h e r i c a lt a n k s ( m a n u a l s y s t e m ) l o t so fc o m p o n e n t su s e df o rm a n yy e a r s 洫h a r dw a r eo fa u t o m a t i cs y s t e mo f w h o l ep o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n to fs p h e r i c a lt a n k s i ti m p r o v e dr e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m i t so fg r e a ts i g n i f i c a n c et h a tt h i ss y s t e mi m p r o v e dt h eq u a l i t yo fw h o l ep o s t - w e l d h e a tt r e a t m e n to fs p h e r i c a lt a n k s t h es y s t e mn o to n l ys a v ee n e r g yr e s o u r c e s ，b u ta l s o m i t i g a t e do p e r a t o r sl a b o ri n t e n s i t ya n di m p r o v e dt h et e c h n i q u eo fw h o l ep o s t w e l dh e a t t r e a t m e n to fs p h e r i c a lt a n k s t h i si n v e s t i g a t i o nl a i dt h ef o u n d a t i o nf o re x p l o i t i n g m u l t i f u n c t i o nc o n t r 0 1 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：w h o l ep o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t , p i dc o n t r o la l g o r i t h m ，c o m p o u n d e d a d a p t i v ef u z z y p dc o n t r o la l g o r i t h m s y s t e mi n t e r f a c e 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：务乞i ； 日 期：争阜同矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 球罐概述 球形储罐( 以下简称球罐) 是一种以储存气体、液体或液化气体介质为目的 的压力容器。广泛应用于石油天然气、化工、石油化工、国防、冶金、城建等工 业领域。近年来，我国球罐数量急剧增加，连世界屋脊城市拉萨也建成了球罐群。 另外，球罐的大型化和高参数化的势头也锐不可挡，我国近年来主要靠引进建成 了一批5 0 0 0 - - 2 0 0 0 0 m 3 的特大型球罐和低温球罐。可见，球罐作为一种装备在国 民经济中占据重要而又不可忽视的地位。 球罐是一个大型的、复杂的焊接壳体结构。它涉及到结构设计理论、材料科 学、塑性加工技术、焊接技术、热处理技术、无损检测技术、断裂力学等多个学 科理论和技术领域。同时，球罐大多用于储存易燃、易爆和有毒的液体和气体介 质。一旦发生事故，就会带来灾难性后果，造成大范围的爆炸和燃烧，酿成生命 财产的巨大损失并严重污染环境。因此球罐的建造、使用管理( 球罐的安全性) 、 特别是焊后热处理已经引起各国科技界和制造业的高度重视，同时也引起各国政 府的极大关注。 经过4 0 多年的发展，我国的球罐建造技术也有了长足的进步和发展。特别是 改革开放的2 0 多年来，我国科技人员引进、消化、吸收发达国家先进建球技术， 使我国的建球技术水平又上了一个新台阶。在此基础上，我国建立了适合我国国 情的球罐系列，制定了与国际标准接轨的球罐设计施工验收规范等一系列国家标 准，使我国的球罐建造走上了法制化的轨道。 但是，我们应该看到，与国外先进技术相比，我国的建球技术还存在较大差 距。主要表现在球壳板尺寸小、分块多、组合设计单调、焊接热处理自动化程度 较低、检验手段落后等等，这使我国的球罐质量很难进一步提高。 本文主要以新颁布的g b 5 0 0 9 4 9 8 球形储罐施工验收规范国标为依据和主 线，对球罐焊后整体热处理自动控制系统进行整体设计，以使球罐焊后整体热处 理实现计算机自动控制。 1 1 1 球罐的特点和分类 储存容器一般有圆筒形和球形两种。球形储罐一般由球壳板、支柱、拉杆、 人孔、接管、梯子、平台等部件组成【”。球罐具有以下优点： 1 ) 与同等体积的圆筒形容器相比，球罐的表面积最小。 球罐受力均匀，且在相同的直径和工作压力下，其薄膜应力为圆筒形容器的 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 ，故板厚仅为圆筒形容器的1 ，2 。 2 ) 由于球罐的风力系数为o 3 ，而圆筒形容器约为0 7 左右，因此对于风载荷 来说球罐比圆筒形容器安全得多。 3 ) 由此可以看来采用球罐储存介质的能力比采用其它形式的储罐储存介质的 能力都更大一些；同时又能保持较高的压力，从经济上看采用球罐储存介质也是 较经济的方式。 另外，球罐可根据其充装的介质，支柱形式以及从壳体排板形式进行分类。 1 ) 按储存介质的性质分类 可分为储存低温液相介质的球罐和储存气相介质的球罐两大类，其中储存液 相介质的球罐又可根据其工作的温度分为常温球罐和低温球罐。低温球罐又可分 为单壳球罐双壳球罐及多壳球罐。通常，将储存一2 0 以下的液化气体为目的的 球罐称为低温球罐。 2 ) 按支柱形式分类 可分为支柱式、裙座式、锥底支撑式以及安装在混凝土基础上的半埋式，其 中支柱式又可分为赤道正切式、v 形支柱式、三柱合一等。 3 ) 按壳排板形式分类 可分为足球式、橘瓣式和足球橘瓣混合式。 4 ) 按壳体层数分类 可分为单层球罐、多层球罐、双金属层球罐和双重壳球罐。 目前国内外较常用的是单层的赤道正切式球罐。 1 1 2 球罐的历史和发展 球罐最早出现在1 9 世纪末到2 0 世纪初，开始时只是储存低压气态介质，球 罐为铆接结构。第二次世界大战以后，随着焊接技术的发展，球罐的制造也从铆 接改为焊接。1 9 5 6 年日本利用美国钢铁公司的t _ 一l 8 0 钢制成了直径3 3 6 8 m 、容 积为2 0 0 0 0 m 3 的城市煤气储罐，这是当时世界最大的球罐。这一时期的球罐体积 很大，但压力较低，总的储气能力也较低，而对于液化气体球罐，还不能做得很 大。从6 0 年代开始至今，球罐的制造技术得到了进一步的发展。球罐也由低压、 常温、气体等逐步向高压、低温液化气体和大型化发展。我国制造球罐始于5 0 年 代末。1 9 5 8 年开始制造第一台5 0 m3 的球罐，1 9 6 6 年北京金属结构厂制造了直径 为9 2 m 、壁厚为2 0 m m 、质量为4 5 吨的球罐。随着科学技术进一步发展，特别是 改革开放以来，为了满足我国的国防、科研、石油化工、冶金、城市煤气等工业 对储存容器的要求，我国的球罐工业得到了迅速发展。目前我国已能自行设计制 造1 0 0 0 0 m 3 以下的液化石油气球罐和4 0 0 0 m 3 低压球罐，1 9 8 6 年北京利用引进的国 外球壳板，自行设计并安装了5 0 0 0 m 3 的球罐，1 9 9 8 年又以同样的方式引进了1 0 0 0 0 。2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 m 3 的球罐，1 9 9 8 年大连又成功的利用引进的日本钢板，自行设计并研制成功了 8 0 0 0 m 3 储存介质为c 4 的球罐【”。 1 2 球罐用钢简介 1 2 1 我国球罐用钢概述 随着石油化工、城市煤气和冶金工业的的发展，压力容器的使用更加广泛， 同时由于压力容器事故的灾难性，对其钢材的质量要求不断提高，各种性能的合 金材料在球罐制造方面广泛实验。同时人们更注重研究金属材料的焊接性能，焊 后热处理方法，以及焊接构件在经受焊接热应力、应变热循环的热影响区的组织 性能。迄今为止，我国全部是钢制球罐，对球罐用钢的性能要求如下： 球罐用钢应具有较高的屈服强度和抗拉强度，屈强比os ob 最好o 6 5 0 7 5 之 间。 在交变载荷作用下，其疲劳强度一般应不小于2 5 0 2 7 0 m p a 。 钢的转变温度应在3 0 。c 左右。 球罐用钢应具有良好的加工成型性，以适应剧烈的加工变形、火焰切割、钻 孔等加工过程。 球罐用钢应具有良好的焊接性。 球罐用钢应具有良好的抗大气以及抗承载介质腐蚀的能力。 目前，我国的球罐用钢大都是低合金高强钢【2 】。 1 2 2 球罐用钢化学成分和性能 目前，我国球罐用钢品种较少，质量还不够稳定。再加上受冶金能力，尤其 是轧机能力的限制，使球罐用钢钢板的宽长定尺还较小，致使我国自己设计制 造的球罐壳板块数增多，焊接长度大大增加。 下面分类介绍我国常用的球罐用钢。 优质非合金钢2 0 r 优质非合金钢只有一个钢号2 0 r ，它具有良好的抗脆断性能，良好的冷成形和 焊接性等。 a 2 0 r 钢板的化学成分与力学性能见下表【l 】 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 12 0 r 钢板的化学成分吲 t a b l e l 1t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to f 2 0 rs t e e l 化学成分( 质量分数) cs im nps 0 2 00 1 5 o _ 3 00 4 0 o 9 00 0 3 50 0 3 0 表1 22 0 r 钢板的力学性能f 3 1 t a b l e l 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 2 0 rs t e e l 板厚， ob m - p aos m p a 6 册a k v ( 横) j冷弯试验1 8 0 。 6 1 62 4 5 1 6 3 6 4 0 0 5 2 02 3 52 5 3 1d = 2 a 3 6 6 0 2 2 5 6 0 - 1 0 0 3 9 0 0 1 0 2 0 52 4 b 2 0 r 的使用规赳副g b l 5 0 钢制压力容器对2 0 r 钢板的使用规定是 使用范围是- - 2 0 - - 4 7 5 。 用于壳体的厚度大于3 0 r a m 的钢板，以及用于其它受压元件的厚度大于5 0 m m 的钢板应在正火状态下使用。 用于壳体的厚度大于3 0 r n m 的钢板，应该逐张进行超声波探伤检查。用于多层 包扎压力容器的内筒钢板，应逐张进行力学性能试验和超声波探伤检查。 用于壳体的厚度大于2 5 m m ，且使用温度低于0 。c 的钢板，或用于壳体的厚度大 于1 2 m m ，且使用温度低于一1 0 的钢板应进行低温冲击试验。 2 0 r 钢焊接性好，焊条电弧焊时推荐选用e 4 3 1 6 或e 4 3 1 5 。埋弧焊时可选用 h 0 8 、h 0 8 m n a 焊丝、i l l 4 3 1 焊丝，亦可采用药芯焊丝c 0 2 气体保护焊。 可焊接低合金高强度结构钢 低合金高强度钢是指合金总量在5 以下，屈服强度在2 7 5 m p a 以上，具有良 好的可焊接性、成型性、耐蚀性1 4 】，它的主要特点是强度高，塑性、韧性也较好。 低合金高强度钢用于球罐制造主要有： a 1 热轧、正火钢 热轧、正火钢的屈服强度为2 9 4 - - 4 9 0 m p a ，在热轧或正火状态下使用，属于非 热处理强化钢。它按用途可分为压力容器用钢、锅炉用钢、焊接气瓶用钢、桥梁 用钢等。它主要通过合金元素的固溶强化获得高强度，m n 是最常用的合金元素。 在固溶强化的同时，加入一些碳、氮化合物形成元素( 如v 、t b 、t i 等) ，通过正 一4 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 火处理后形成的碳、氮化合物以细小质点从固溶体沉淀析出，既可以提高钢的强 度，又可以保证钢材具有一定的韧性和塑性。常见的钢种有1 5 m n t i 、1 6 m n 、 1 5 m n q 、1 4 m n m o v 等。 它们的化学成分和力学性能见下表： 表1 31 6 m n 钢的化学成分【3 】 t a b l e l 3t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to f1 6 m ns t e e l 化学成分( 质量分数) 臃 cs im nps 0 2 0o 2 0 0 5 51 2 0 一1 6 00 0 3 50 0 3 0 表1 41 5 m n v n 钢的化学成分引 t a b l e l 4t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to f1 5 m n v ns t e e l 化学成分( 质量分数) cs im np svn 0 2 0 0 0 2 o 5 5 1 3 0 1 7 00 0 3 5 0 0 3 00 1 0 o 2 0o 0 1 0 - 0 0 2 0 表1 51 6 m n 钢的力学性能嘲 t a b l e l 5t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f1 6 m ns t e e l 板厚m m ob m p aos j p a65 a k v ( 横) j 冷弯试验1 8 0 6 1 65 1 0 - 6 4 03 4 52 1d = 2 a 1 6 - 3 6 4 9 肚6 2 0 3 2 5 2 l 3 6 , - , 6 0 4 7 0 - 6 0 0 3 0 5 2 13 1 d = 3 a 6 0 1 0 04 6 0 - 5 9 02 8 52 0 1 0 0 1 2 04 5 0 - 5 8 02 7 52 0 表1 61 5 m n v n 钢的力学性能嘲 t a b l e l 6t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f15 m n v ns t e e l 板厚m m ob h i p aos m p a65 a k v ( 横) j 冷弯试验1 8 0 6 - 1 6 5 7 0 7 1 0 4 4 0 1 8 1 6 3 65 5 0 6 9 04 2 01 83 4d = 3 a 3 6 石o5 3 0 6 7 04 0 01 8 3 ) 低碳调质钢 低碳调质钢的屈服强度为4 9 0 - 9 8 0 m p a ，在调质状态供货使用，属于热处理强 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 化钢。它既有很高的强度，又有较好的塑性韧性耐磨性耐蚀性能。根据用途不同， 采用不同的合金成分和热处理制度，可以获得具有不同综合性能的低碳调质钢。 它可以在调质状态下焊接，焊后不要求调质处理。随着我国大型工程机械压力容 器及舰船制造的发展，低碳调质钢的应用越来越广泛。常用的钢种为c f 钢既焊接 无裂纹钢。我国武汉钢铁公司8 0 年代开始研制c f 6 0 6 2 钢，虽未列入冶金产品标 准，但已批量生产，并己建造了一些球罐。c f 钢按g b 6 6 5 4 - - 9 6 它应属于压力容 器低合金钢厚钢板。 c f 6 0 6 2 钢( 0 7 m n c r m o v ) 的化学成分与力学性能如下： 表1 70 7 m n c r m o v 钢的化学成分p 1 t a b l e i 7 t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t o f 0 7 m n c r m o vs t e e l 化学成分( 质量分数) cs im npsn i c rm ov b p c m 0 1 51 2 0o 1 00 1 0o 0 2 0 0 0 3 0 0 90 0 3 00 0 2 00 3 00 2 0 0 0 4 01 6 0o 3 00 3 00 0 60 表1 80 7 m n c r m o v 钢板的力学性能 3 】 t a b l e l 8t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 0 7 m n c r m o vs t e e l 取样方向拉伸试验冲击试验冷弯试验 板厚m m 及部位ob m p a o 以v p a 65 ， 温度 a k v j 1 8 0 横向 1 6 5 06 1 0 - - 7 4 04 9 01 72 04 7d = 3 a ( 1 4 ) t 4 ) 正火回火钢 考虑我国今后高强度球罐用钢的发展趋势和要求，并结合我国大多数冶金厂 的装备条件，宝钢研制开发了一种新的最小屈服强度4 6 0 m p a 级，具有高韧性，适 宜焊接的细晶粒压力容器钢板，以正火或正火加回火状态交货。这种正火回火钢 为p 4 6 0 n l l 卯。 表1 9p 4 6 0 n l l 钢板的化学成分( 耐) 6 】 t a b l e l 9 t h ec h e m i c a lc o m p o n e n t o f p 4 6 0 n l ls t e e l ( w t o d ) 化学成分( 质量分数) 肼 cs im nspn ic uc rm ovn ba ln o 1 20 3 51 3 7o 0 0 50 0 1 50 6 00 5 70 2 00 0 60 ，1 30 0 2 30 0 3 2o 0 1 1 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表】1 0p 4 6 0 n l i 钢板的力学性能 6 】 t a b l e l 1 0t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p 4 6 0 n l ls t e e l 板厚m m热处理制度 ob l v i p aos m p a 6 ， a k v l o ( j ) 9 0 0 正火 4 65 0 05 9 03 3 1 2 0 5 7 0 回火 1 3 焊接概述 焊接是指两种或两种以上材质( 同种或异种) ，通过加热或加压或者二者并用来 达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程 ”。焊接在现代的工业生产中， 已经成为一种重要的金属加工工艺，它已广泛地应用于金属结构、桥梁、造船、 航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术以及石油化工、电力、冶金建筑等工 业部门恻。 根据近年来的研究，焊接条件下的组织转变与热处理条件下的组织转变，从 基本原理来讲是一致的。新相的形成也是通过生核和核长大的两个过程，符合经 典的结晶理论，组织转变过程进行的动力也是取决于系统中的热力学条件，即新 相与母相的自由能之差【9 1 。焊接时的组织转变有其特殊性，这是由焊接本身的特点 决定的。焊接的特点是以下五点： 加热的温度高 一般热处理情况下，加热温度都不超过a c 3 以上1 0 0 y 2 2 0 0 。c ，而在焊接时， 近缝区熔合线附近可接近金属的熔点，对于低碳钢和低合金高强钢来讲，一般都 在1 3 5 0 左右。 加热的速度快 焊接时由于采用的热源强烈集中，故加热的速度比热处理时要快的多，往往 超过热处理的几十倍甚至几百倍。 高温停留时间短 焊接时由于热循环的特点，在a c 3 以上保温的时间极短( 一般手工电弧焊约为 4 2 0 s ，埋弧焊约为3 0 1 0 0 s ) ，而在热处理时可以根据需要任意控制保温时间。自 然条件下连续冷却 在热处理时可以根据需要来控制冷却速度或对冷却过程中的不同阶段进行保 温。然后在焊接时，一般都是在自然条件下连续冷却，个别情况下才进行焊后保 温或焊后热处理。 局部加热 热处理时工件是在炉中整体加热，而焊接时，只是局部集中加热，并且随热 7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 源的移动，被加热的范围也在随之移动，这样就使组织转变是在应力作用下进行 的，并且这种转变的过程是不均匀的。 由于焊接本身的特点，它使焊接区域产生了一系列复杂的物理冶金和化学冶 金，因此给结构带来了以下三个主要问题： 在结构中产生了不连续性 它包括几何、物理、化学和力学的不连续性。如焊接区域的各种缺陷的存在， 焊缝与母材化学成分的差别，焊缝、热影响区、母材之间在组织、性能上的差异。 焊接区的性能，尤其是韧性的恶化 焊缝本身是铸态组织，其韧性可能低于经过热加工或热处理的母材。焊缝接 头熔台线两侧的熔合区与过热的粗晶区往往是整个接头中最薄弱的区域，有些钢 材经焊接后或焊后热处理可能会出现回火脆化，有些钢才还可能出现热应变脆化 等。 焊接残余应力 这种应力是局部加热引起的。其峰值应力可达母材的屈服强度。 1 3 1 金属的焊接性 焊接性是指同质或异质金属在制造工艺条件下，能够焊成具体的设计适当的 结构并满足预期的使用要求的能力【1 们。它包含一种金属对任一具体焊接方法的冶 金相容性、该金属的焊接时达到的致密结合性、以及以焊成的接头的使用可靠性。 冶金相容性是指母材和焊缝金属能相互结合而不致产生有害的组成物或相。致密 结合性必须满足致密性要求且符合常规的技术标准。使用可靠性则涉及以完成的 焊接接头能否符合常规的技术标准，如低温韧性、高温稳定性、耐腐蚀性等质量 要求。焊接性主要包括两方面的内容： 工艺焊接性 一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下对形成焊接缺陷的敏感性。 使用焊接性 一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下所形成的焊接接头适应使用要求的 程度f l o 、1 “。 1 3 2 金属焊接性的分析 分析研究焊接性的目的，在于查明一定的金属材料在指定的焊接工艺条件下 可能产生的问题及其原因，以确定焊接工艺的合理性或金属材质的改进方向1 2 】。 焊接性评定的方法有多种，包括格各种裂纹的评定与力学性能、腐蚀性能等评定 方法。根据球罐的具体情况，介绍一些常用的简介评定方法。 ( 一) 从金属的特性分析焊接性 一8 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 根据钢材化学成分进行焊接性分析 a ) 碳当量法 钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，因此可以用 化学成分来分析其冷裂敏感性。各种元素中，碳是对冷裂敏感性影响最显著的一 个。因此，人们就将各种元素都按相当于若干含碳量折合并叠加起来求得所谓碳 含量( c e ，c 。) 。 国际焊接学会( w ) 规定的碳当量的公式为： c e = c + m n 6 + n “1 5 + c r 5 + m o 5 + v 5 ( )( 1 1 ) 此公式适用于中高强度的非调质低合金高强度钢，且适用于碳含量大于o 1 8 的钢。 日本j i s h 和w e s 采用： c 。= c + m n 6 + s i 4 0 + c r 5 + m o 4 + v 1 4 + s i 2 4 ( ) ( 1 2 ) 此式适用于低合金调质钢，其化学成分范围：c o 2 或0 1 8 ，m n 1 5 ， n i 2 5 ，c r 1 2 5 ，m o 0 7 ，s i o 5 5 ，v o 1 ，b o 0 0 6 ，c u 0 5 。 美国焊接学会采用： c 。= c + m n 6 坩州1 5 + c r 5 + m o 4 + c “1 4 + s i 2 4 “) 2 ( ) ( 1 3 ) 此公式适用于化学成分范围：c 0 6 ，m n 1 6 ，n i 3 3 ，c r 1 o ， m o 一 0 6 ，c u ( 0 5 1 o 1 ，p ( o 0 5 - 4 ) 1 5 ) 。 b ) 焊接冷裂纹敏感指数 对于6 0 年代以后出现的一系列焊接性良好的低碳低合金钢与微合金化的高强 钢。n o 提出了p c m 公式 p c m = c + s i 3 0 + m n 2 0 + c r 2 0 + c u 2 0 + n i 6 0 + m o 1 5 + v 1 0 + b 5 0 h 6 0 + 6 6 0 0 ( ) ( 1 4 ) 式中：6 板厚( m m ) h 焊缝中扩散氢含量( r o l l l 0 0 9 ) 此公式适用于化学成分范围：c ( o 0 7 0 2 2 ) ，m n ( 0 4 0 1 4 0 ) ，c u 、 4 8 6 c m 所以我们选择2 英寸( 5 0 8 c m ) 的外接管道合理。 实验二结果分析： 在实验二中，首先对自制电动阀门进行了实验。在压力恒定( o 8 m p a ) 的情况 下，电动阀门由完全打开到安全关闭，这时，观察2 号、3 号压力表及风速表，可 知电动阀门可否控制风流量。在实验中，我们观察到，随着电动阀门的关闭，2 号、 3 号压力表的读数差不断加大，同时风速表的读数也逐渐减小，这说明电动阀门可 以用来控制气流流量。 在耐压实验中，整个实验装置在0 8m p a 静压力下保压1 小时后，无泄漏，各 个实验部件无破裂现象。 通过以上实验所得数据及其分析认为：本次风路实验装置的设计可满足容积为 5 0 0 0m 3 以下球罐进行焊后整体热处理供风系统的要求。完全可用于现场实际球罐 焊后整体热处理自动控制系统设备的送风系统设备。 2 4 东北大学硕士学位论文第三章控制算法 第三章控制算法 球罐焊后整体热处理的温度波动对球罐处理质量有直接影响，所以对其温度 控制要求是很严格的。由于热处理工艺是一种典型的热工温度控制过程，具有绝大 多数热工程的普遍特性：时滞与调节惯性。特别是存在大容量滞后与调节惯性时， 在保证控制系统性能的前提下，应选择一种成熟的、控制跟踪性能好的p i d 控制 器。所以采用增量式p i d 算法实现球罐焊后整体热处理的温度控制。 3 1 p i d 控制分析 按偏差的比例、积分和微分进行控制的控制器( 简称p i d 控制器) 。它的结构 简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程中， 由于被控对象的精确模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分 析综合要耗费很大代价，却不能得到预期的效果，所以人们往往采用p i d 控制器， 根据经验进行在线整定，以便得到满意的控制效果。随着计算机特别是微型计算 机技术的发展，p i d 控制算法已能在微型计算机上简单地实现，再加上软件系统的 灵活性，使p i d 算法可以得到修正而更加完善。 3 1 1 p i d 算法原理 假定已按模拟方法设计出的模拟控制器的理想p i d 算式为口5 】： a ( f ) - 置小( f ) + 毒胁) t 。皇警i ( 3 1 ) 式中：4 0控制器的输出( 控制量) ； g o l 偏差( 设定值与实际输出值之差) ： k 。控制器的放大系数； 正控制器的积分时间常数 瓦控制器具微分时间常数。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此( 3 1 ) 中的积分和微分项不能直接准确计算，只能和数值计算的方法逼近。 在采样时刻忙k t ( t 为采样周期) ，式( 3 1 ) 所表示的p i d 控制规律可通过数值公 式： 雕，= 置，k ，+ 百t 篆邮，+ 争m m c ) 】l 2 ， 东北大学硕士学位论文第三章控制算法 近似计算，如果采样周期t 取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与 连续控制过程十分接近，这种情况又称为“准连续控制”1 2 6 1 。 式( 3 2 ) 表示的控制算法提供了执行机构的位置u ( k ) ，所以称为位置p i d 控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其曾量时，由式( 3 2 ) 可导出提供增量的p m 算法，这里只要将式( 3 2 ) rmt 一 、 ( 七) = k ， p ( 七) + 争e ( f ) + 了1 dk ( j ) 一口( 七一1 ) 】 删) = ，_1)+吾和)粤瞄(k-1)-e(k-k e ( k 相减就可以导出i 及( 七一1 ) = ，一1 ) + 争p ( f ) + 等瞄 相减就可以导出 i j 批0 1 下面的公式： 喇= 胴一以| | 一1 ) = 缉 一础_ 1 ) + 号+ 等k 一2 e ( k - 1 ) + e ( k 一2 ) 】 ( 3 _ 3 ) 式( 3 3 ) 称为增量式p i d 控制算法。 式( 3 3 ) 也可进一步改写为【2 9 】： 卢( 后) = k ，k ( i ) 一e ( _ j 一1 ) 】+ k l e ( k ) + k 。k ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + p ( j j 一2 ) 】( 3 4 ) 式中：k 1 = 耳积分系数； j 乙= 酢微分系数。 由式( 3 3 ) 或式( 3 4 ) 可见，增量式算法只需保持现时以前三个时刻的偏差 值即可，所以我们有必要将增量式p i d 算法的特点与位置式比较一下。经比较可 以看出增量式算法有以下优点【2 7 】： ：1 ) 位置式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值 b ，容易产生较大的积累误差a 而增量式须计算增量，计算有误差或精度不足 时对控制量的计算影响较小。 2 ) 为了进一步实现控制从手动切换到自动时，保证无扰动切换，必须首先将 计算机的输出值设置为与手动输出相应的控制量，即通过比较计算机的输出值与 阀位开启度反馈信号值大小来实现。如果采用增量算法，由于控制量与控制阀行 程变化状态对应，故易于实现手动到自动控制的无扰动切换。此外，在计算机发 生故障时，由于执行机构按增量信号进行动作，故计算机错误不会严重影响系统 2 6 东北大学硕士学位论文第三章控制算法 的工况。 由此可以看出，在实际控制中增量式算法比位置应用得更为广泛，这也是本 文在计算过程中采用增量式p i d 算法的原因。 3 1 2 控制策略 采用p d 控制必然涉及到控制器具选型问题，一般来说，控制器的选型应根 据被控对象特性和工艺对控制质量的要求来确定，下面分别就p 控制器的选择： 由于比例控制器的特点是控制器的输出与偏差成比例，阀门的开度与偏差之间有 对应关系。当负荷变化时抗干扰能力强，过渡过程的时间短，但过程终了存在余 差。因此，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大允许被控量在一定范围内 变化的系统，如压缩机储气罐的压力控制、储液罐的液位控制、串级控制系统的 副回路等。 p i 控制器的选择：由于比例积分控制器的特点是控制器的输出与偏差的积分 成比例，积分作用使过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低，虽然加大比 例可使稳定性提高，但又使过渡过程时间加长。因此，p i 控制器适用于滞后较小、 负荷变化不大、被控量不允许有余差的控制系统，如流量、压力和要求较严格的 液位控制系统。它是工程上使用最多、应用最广的一种控制器。 p i d 控制器的选择：比例积分微分控制器的特点是微分作用使控制器的输出与 偏差变化的速度成比例，它对克服对象的容量滞后有显著的效果，在此例基础上 加入微分作用，使系统稳定性提高，再加上积分作用可以消除余差。因此p i d 控 制器适用于负荷变化大、容量滞后较大、控制质量要求又很高的控制系统，如温 度控制、成份交化控制。 由于本文中涉及的控制系统为球罐焊后热处理过程，它存在容量滞后，且要 控制的对象是温度，对控制质量的要求也很高，综合以上三种控制的适用条件， 本实验选用了p i d 控制器，并且编程中采用式( 3 4 ) 来表达p i d 算式。