（材料加工工程专业论文）加氢反应器电磁感应局部热处理温度场及应力场数值模拟研究.pdf

中文摘要 加氢工艺于1 9 2 7 年开始在工业上得到应用，原料油在催化剂和高压氢气存 在的条件下，约在1 7 5 4 5 5 时进行加氢反应，烃类在高压氢气和催化剂存在的 条件下转化为低分子量产物。加氢反应器在加氢工艺中的作用就是为原料油和氢 气在催化剂和一定的温度、压力条件下进行反应提供场所。 加氢反应器是用多个内径长4 米、厚度2 0 0 咖、轴向长2 米的圆管状筒节焊 接而成。为了降低焊接残余应力改善焊缝和热影响区组织的综台力学性能，需 要进行焊后热处理。传统的热处理是把试件整个放入热处理炉中加热到一定的温 度，保温一定时间然后冷却，这样消除残余应力最彻底效果最好，但是很难找到 与加氢反应器尺寸相适应的热处理炉，这种情况下，电磁感应加热这种局部热处 理方法的优势就显现出来。 本文首先探讨感应加热的有限元计算理论：从电磁学和热学的角度出发，得 出解决感应加热这种特殊的磁热耦合现象的数学方法，并给出计算模型。接下 来结合有限元理论，探讨如何利用a n s y s 软件实现感应加热的数值模拟，编制出 命令流程序语言。 通过温度场数值模拟计算，找到电磁感应局部热处理过程中加热宽度和保温 宽度这两个参数值的最佳配比，使加氢反应器在局部热处理过程中，焊缝处温差 始终保持在一定的范围内，不会在焊后热处理过程中由于局部温度梯度过大而引 入新的残余应力。 最后根据温度场分布情况，模拟计算构件在进行局部热处理之后的残余应力 场分布，并且比较不同加热宽度下，由于局部热处理受热不均所引入的新残余应 力的大小。从残余应力的角度评价了根据温度场模拟计算所得到的局部热处理最 佳加热宽度值，对a s m e 标准中仅仅通过规定均热宽度的大小来控制局部热处 理质量的不足进行补充和完善。 关键词：电磁感应加热，温度场分布，加氢反应器。残余应力 a b s t r a c t t h e 口r o c e d u r co fh y d r o t r e a t i n gh a sb e 锄a p p l i e di ni n d u s t r yf 如ml9 2 7 r a wo 订 i sh y d r o g e n a t e da ta b o u tl7 5 - 4 5 5 u n d e rt l l ec o n d i t i o n s o fa c t i v a t o r 粕dh i g l l p r e s s u r eh y d r o g g 鹊h y d r o c a r b o nc h 锄g e s i i l t 0p r o d u c t sw i t l ll o wm o i e c u l 骶 w e i g l l t t h er o l et h a th y d f o g e n a t i o nr e a c t o rv e s s e lp l a y si nt l l ep r o c e d u r eo f h y d r 0 仃e a t i n gi so 仃e r i n gal o c a t i o nf o r t l l er c a c t i o no fr a wo i l 锄dh y d r o g e ng a su i l d e r 也ec o n d i t i o n so fa c t i v a t o ra n dac e n a i nt 钮n p e r a t u r ea n dp r c s s u r e h y d r o g e n a t i o nr e a c t o ri sw e l d e db ym a n yt u b u l a rc o u r s e sw i t hm o r et h a n4 m e t e r si ni n t e m a ld i 锄e t e r ，2 0 0 m mi 1 1t h i c k n e s s 锄d2 mi na x i a l l e n g t h t br e d u c et h e w e l d i n gr e s i d u a ls 仃e s s 弧di m p r 0 v et h ei n t e 伊a t i o nm e c h 觚i c a ip r o p e n i e so fw e l d i n g s e 锄柚dt l l e n n a la 仃e c t e dz o n es 廿1 j c t l l r e s ，p o s t w e l dh e a t 仃e a t i n e i l ti sr c q u i r e d t h e 的d i t i o n a lt r e a n l l e n ti st 0d i s p o s et l l ew h o l es a m p i ei i lt l l eh e a tt 1 c a t r n e n ts t o v e ，w h i c h i sh e a t e dt oac e r t a i nt e 玎 1 p e r a t 吡e ，k e p tac e r t a i nt i m ea n dm e nc o o l e d t h a ti st h eb e s t w a yt 0e l i m i n a t ct h e 托s i d u a ls 仃e s s ，b u ti ti sd i 衔c u l tt of i n d 也er i g l l ts t o v es u i t a b l e f o rt l l es 娩eo ft l l eh 咖g e n a t i o nr e a c t o rv e s s e l ，i nw h i c hc a s et l l ep a n i a lh e a t 仃e a t m e n to fe l e c 仃d m a 2 m e t i c a l l yi i l d u c e dh e a t i n gs 劬d so u tw i t hi t sr e m a r k a b l e a d v 柚t a g e s f i r s to fa l l ，t l l i sp a p e ri n v e s t i g a t e s l et 1 1 e o r yo ff i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o no n e l e c 仃d m a g n e t i c a l l yi n d u c e dh e a t i n g f r o mt l l ev i e wo fe l e c 臼0 m a 朗e t i c s 锄dc a l o r i f i c s ， am a t h e m a t i c a lm e t l l o df o rt l l i sp a n i c u l 盯m a g n e t i c h e a tc o u p i i n gp h e n o m e n ai s o b t a i n e d ，a n dt l l ec o m p u t a t i o n a lm o d e l i sg i v e n t h e n ，b o n d e dw i mt l l ef m i t ee l e m c i l t t i l e o r y t h ew a yo fu s i n ga n s y ss o m v a r et 0 h i e v en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f i n d u c t i o nh e a t i n gi sd i s c u s s e d f i n a l l y t h ea p d li sc o m p i l e d t h r o u 曲t l l en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 廿l eo p t i 珊l mc o m b i n a t i o no f p a 珀m e t e r so fh e a t i n gw i d t l l 柏dh e a tp r e s e n ，a t i o nw i d t l lf o re l e c 仃0 m a g n e t i ci n d u c t i o n p a n i a lh e a t 仃e a t i i l e n ti sf - 0 u n d w h i c hh e l p st ok e 印m ed i f f e r 铋c ei nt e m p e r a t u r eo f h y d r o g e n a t i o nr e a c t o rv e s s e l sw e l d i n gs e 锄w i t l l i nac e n a i n 啪g ed u r i n gt l l ep r o c e s s o fp a n i a lh e a tt r e a t m e n t a sar e s u l t ，e x 饷r e s i d u a ls 仃e s sw i l ln o tb eg e n e r a t e d o w i n gt 0e x c e s s i v e l yh i g ht e m p e r a t u r e 删i e n ti n t h ep r o c e s so fp a n i a lh e a t t t e a n n e n t l a s t l y ，b a s e d0 nt l l ed i s t r i b u t i o no ft e m p e m t u r ef i e l d t l l er e l a t i o n s h i pb e 铆e e n h e a t i n gw i d t l l 锄dr e s i d u a ls 仃e s sd u r i n gp a n i a lh e a tn - e a t i t l e n ti sc a l c u l a t 酣a n dm o r e ， w i t l ld i a e r e n th e a t i n gw i d m 。t l l ev a l u e so fn e wr e s i d u a ls t f e s sb r 0 吡g h tb y 也e d i s p r o p o r t i o n a t i o no fh e a t i n ga 他c o m p 盯e d t h eb e s th e a t i n gw i d mo fp a n i a lh e a t t r e a t e n t ，g a i l l e df r o mt l l ec a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u 坞右e l ds i m u l a t i o n ， i se s t i m a t e d 6 | 0 mt l l ev i e 、p o i n to fr e s i d u a ls t r e s s t h es h o n a g ei n 也ea s m es t a n d a l r d st h a tt l l e q u a l i t yo fp a r t i a lh e a t 仃e a t m e n ti sc o n 口o l l e do n i yb yt 1 1 ev a l u eo fh e a tw i d t l lh a sb e e n s u p p l e m e n t e da n di m p r o v e d k e y w o i m s ：e l e c 仃0 m a 印e t i c a l l yi n d u c e d h e a t i i l g ，t e m p e r a t u r ed i s t m u t i o n h y d r o g e n a t i o n r e a c t o rv e s s e i ， r e s i d u a ls 仃e s s 第一章绪论 课题产生背景 第一章绪论 焊后热处理在压力容器的制造过程中占有重要的地位，它是保证产品质量的 关键环节。国内外的大量案例表明，焊后热处理工艺不当的产品在使用过程中多 有事故发生。焊后热处理的主要目的是为了降低焊接残余应力改善焊缝和热影 响区组织，提高焊接接头的韧性及母材综台力学性能，防止变形，稳定结构尺寸 等。近二十年来，设计制造的锻焊结构热壁加氢反应器向大型化、重型化方向发 展。由于铁路运输，陆路运输超重、超长等原因，反应器不能在制造厂整台完工， 而要到用户使用现场组装。现场组装涉及到现场组焊、现场局部热处理、探伤等 一系列问题l l 】。对大型加氢反应器局部热处理的研究在国内还很少见。本文研究 解决了大型加氢反应器局部焊后热处理技术问题。 传统的热处理是把试件整个放入热处理炉中加热到一定的温度，保温一定时 间然后冷却，这样消除残余应力的效果是最好的，但是随着工件尺寸的不断加大， 很难找到尺寸相适应的热处理炉，这种情况下，电磁感应加热这种局部热处理方 法的优势就显现出来。 最早米勒法拉弟发现了当电流流过闭合线圈，且此闭合线圈中的电流是不 断变化的的情况下，在相邻的闭合线圈中也会产生电流，此电流被称作感应电流， 由此近代电磁感应的理论产生了【引。 十九世纪时，科学工作者就观察到了电磁可以相互感应的自然现象，导体处 于变化的磁场中时，导体内部会自然产生电流，此电流又会产生焦耳热量。在冶 金方面，感应加热最先得到了工业化的大规模使用。到了二十世纪末，欧洲各国 科学家尝试使用无心电磁感应的方法对金属工件进行溶化冶炼，并且用电元器件 来补充无功功率。对钢铁进行热处理在二十年代前还从未应用过电磁感应加热技 术，到了四十、五十年代，感应加热已经被应用在对工件进行透热，各种相关的 仪器设备也有了长足的进步。科学家在锻造、轧钢、焊接后的局部热处理等诸多 方面都推进了感应加热技术，现在此技术被用于工业生产的各个环节。 伴随电磁加热的研究深度不断有新的突破，感应加热的适用领域日趋全面。 电磁技术可在工件的焊后热处理、熔化冶炼、粉末烧结、锻造铸造等很多领域得 到应用。更可贵的是，电磁感应热处理在半导体元件的生产加工过程中。也起到 第一章绪论 了至关重要的作用，比如区域提纯、单晶硅的生长等等。现代家庭生活中，电磁 炉、微波加热炉都是利用了电磁感应原理，感应加热技术渗透到了生活的每一个 角落【3 】o 电磁感应热处理是先将工件处于交变磁场环境下以产生涡流，在焦耳效应作 用下，被加热对象实现升温，感应加热在实际应用中产生的废物污染小，可以方 便控制精度，加热时间短、效率高，被各个领域应用。但是往往对其研究都是进 行实际的实验操作，在对实验设备的制造方面费力耗时，付出的经济代价高，因 此，用软件进行模拟运算有很好的应用前途。本项研究根据电磁感应的特有属性， 运用计算机模拟技术完成了对实际电磁感应加热过程的探索和研究【4 1 。 1 2 国内外感应加热数值模拟研究发展现状 感应加热涉及到磁学、电学、热学、力学和相变学等多学科的综合知识，是 一个相当复杂的物理过程，不能用一个学科的知识加以确切的解释，没有一个数 学方法可以精确的耦合这样复杂的物理过程。随着科技的进步，计算机技术的蓬 勃发展，计算能力的大幅度提高，已经可以实现通过计算机来对感应加热这一复 杂的耦合现象进行模拟，很多的专家学者已经在此领域进行了深入的研究，取得 了丰硕的成果。 从1 9 “年开始，电磁场数值模拟第一次被w i n s l o w 等人通过有限元的方法 实现。在1 9 7 2 年和1 9 7 5 年，c h a nm k 和d o n aj 把有限元计算的解分别用轴向 对称模型表示，尤其是对二维模型还得到了其磁分布的矢量解。7 0 年代末期， 电磁模拟方法在二维电磁场分布的计算方面已经相对完善，一系列人工智能化水 平高超、适用范围广泛的软件应运而生。7 0 年代末期，外国研究人员开始对三 维电磁场、涡流现象进行数值模拟，进一步推进了这一领域的发展【”l ，我国科 学家也相继进行了一系列研究。经过1 0 年的探索和研究，到了8 0 年代末期，三 维电磁场和涡流场的计算程序已经在外国编制出现。a n s y s 软件就是进行模拟 计算的首要代表，它对各种物理场都可以进行模拟计算，比如热学、电磁学、结 构力学等。更加重要的是，a n s y s 软件可以耦合不同的物理场进行计算，比如 热场与结构场的耦合，还有电磁场和热场的耦合。使用诸如a n s y s 这样适用范 围广计算能力强的软件进行电磁感应加热有限元模拟。可以在短时间内得到预期 的模拟结果。 接下来，总结分析一下国内和国外研究人员对电磁感应有限元计算已经进行 过的相关研究和取得的科研成果。 曹嘉新及其助手对陶瓷粉末成型后进行的电磁加热情况进行模拟，把计算所 2 第一章绪论 得结果与实际工作状况中测得的结果进行对比。经过a n s y s 的模拟计算，在工 件厚度方向选取三个观测点，分别是外表面、内表面和厚度中心处，记录它们的 升温曲线，然后把相同观测点的实际施工中测量到的曲线与模拟所得温度曲线绘 制在同一图上，由模拟结果和实验结果的对比看出，两条曲线的走势一致，吻合 良好，说明模拟方法准确可靠，可以对粉末的锻造成型工艺方法的设计起到良好 的指导作用，也对一些材料的物理性能和各种工艺参数的选取起到了修正作用， 提高了工程质量【8 l 。美中不足的是，曹的研究对于磁感应线圈和被加热对象的相 对运动时，磁力线的损失没有考虑，而且对被研究对象在建立模型时做了很多方 面的简略，计算结束后也仅仅把升温曲线和实际工况下得到的进行对比，并没有 对温度随时间变化的整个过程和有关因素的作用及其影响仔细研究，没有对整个 模拟过程进行总体分析。 赵敏对4 5 号钢坯锻前感应加热的过程进行了模拟分析，在模拟过程中考虑 到了端部磁力线的逸散和工件的运动。从工件的整个加热过程可见，工件是按照 一定的节拍通过感应炉的。在感应器中同时有几个坯料，加热过程中，这些坯料 按一定的时间间隔从感应器一端推向另一端。进料端每加入一个冷料，出料端则 出一个达到锻造温度的热料。由于感应线圈端部存在磁力线逸散，工件在还没有 进入感应加热炉前就已开始被加热。所以，对工件从开始进入线圈的前一个工位 进行模拟，分多个工位进行模拟，每一个工位上建一次模型。工件每个工位的初 始温度是该工件上个工位的加热结束温度，如第二个工位初始温度分布是该工件 第一个工位加热结束时的温度分布，依次类推。最后得到了工件温度随时间的变 化曲线；并分析了感应加热整个升温过程的特点与影响因素。结果表明有限元模 拟结果和实际工程应用基本一致【9 】。但是赵敏等人的模型也是二维平面建模，工 件外形简化为长方形，忽略了在实际生产中工件的复杂外形对温度场分布产生的 影响，有可能和实际工程应用中所测得的结果产生较大的差异，有待进一步的研 究。 运用迈克斯韦方程理论，吴金富。许雪峰等人遵循电磁感应的特有性质和原 理，运用a n s y s 有限元计算软件进行模拟，并且用m a t l a b 对计算结果进行 处理，推导了无限长的圆柱形导体工件内部的磁场分布以及涡流的分布，对集肤 作用的存在提供了有力的证据。计算结果表明，有限元解与理论解吻合得较好， 为进一步理解感应加热工件内电磁场和涡流分布提供了很好的依据【1o 】。但模拟 过程忽略了感应线圈端部磁逸散作用的影响，而且假设为线圈无限长的感应加热， 计算模型简化为一维问题进行处理，因此很难适应拥有复杂形状的构件和线圈的 模拟。 周跃庆等人运用数学方程的形式对轴对称模型在加热过程中的电磁场、涡流 第一章绪论 分布和各个时刻的温度进行了形象的描述，把迈克斯韦导热方程组还有有限元计 算方法作为理论基础，建立简化二维计算模型，充分发挥a n s y s 的耦合功能， 对电磁感应淬火热处理进行了模拟【l 。模拟过程中重点研究了材料属性因温度升 高而变动对整个热处理过程所产生的影响。计算得到的解很好的说明了邻近效应 以及集肤效应的存在性和重要性，模拟计算的升温趋势和速度与实际实验结果符 合良好，证明了模拟方法的可靠性，对下一步的使用提供了很好的依据。接下来 对感应淬火进行了讨论研究。感应淬火由于磁场和热场的分布都是符合偏微分方 程组【1 2 。1 3 】，在计算过程中，如果最初的约束条件比较复杂，很难求出理想的计 算结果，而且试样的导磁性、电导性和比热等材料参数都随温度变化【2 】，因此更 加不好得到准确的结果，最值得注意的是感应设备的制造过程中很多是依照经验 进行计算和设计【1 4 】，其可靠性很难保证。 f i r e t a 肌和t u d a r e c 对电磁场磁通量的分布做了研究，建立了不同的模型来 诠释磁场强度在不同位置的分布【1 5 1 。勋w a s e 、h i 胁等人观察分析了自动刮胡 刀的刀片在生产制作过程中的淬火处理时所用到的电磁感应产生的涡流分布和 温度的相互耦合，利用三维模型对这个非线性问题进行了计算【1 6 】。t i n b e r g 在模 拟电磁感应加热应力分布时，综合使用x 射线衍射法和中子法还有 a n s y s w e l d i n g 计算程序等手段，对比了运用不同方法时的计算结果，观察 到有限元模拟所得解和其它方法得到的结果相吻合【1 7 】。f u m 锄，h o m b e r gm 等人 重点观察了发生在电磁加热热传导过程中的固态相变现象的过程，开发了差分方 程子程序应用在钢热处理过程的模拟，取得了非常好的效果【1 8 j 9 】。d u g l l yf 和 b a n e 弱t 根据完善后的差分方程计算了钢试件在不间断电磁感应下淬火处理过 程，对耦合电场、磁场和热场进行模拟，计算成果可以对实际工程实践时的参数 设置起到重要的指导作用，有着非同寻常的意义【2 0 1 。p o v s l ( ) ，v t 观察探讨了淬火 过程中淬硬层由哪些条件所决定，研究发现，不同温度下相组成成分还有冷却液 的性质决定了淬硬层的厚度和试件外侧表面硬度值，编制了可以实现对整个淬硬 层预测的软件，取代了价格很高的实际实验方法，对此领域的研究做出了卓越的 贡献1 2 。d ib 盯以及m v 柚等人从常见问题的反方向运用感应加热极小值数学 耦合计算软件拟合求出连续电磁加热淬火的参数设置组合1 2 2 1 。胁h e n b u l l ll 等人 根据边界条件法和有限元理论把线性阻抗材料的涡流分布进行了模拟研究【2 3 】。 k 锄gz c 用有限元理论研究了感应淬火加热热处理的残余应力场，重点着眼于相 变和相变时所产生的潜热等参数的影响【2 4 1 。特别令大家关注的是普渡大学 w e n gk f i 乃】以及波兰学者a d 锄b o k t a 【2 6 1 综合应用了磁学、热学、相变学和残余 应力计算机模拟方法来研究电磁感应淬火过程，获得了一定的理论成果。构件表 层以一定的速度升温到居里点时，w e n gk f 【2 5 】假想材料是由不同导磁率的两相 4 第一章绪论 构成。根据此假设计算磁场的分布情况。 普度大学专家还提出了几利，更有代表意义的电磁感应数值仿真方法【2 7 1 。第 一个是无限长度的圆柱形试件在运动的单匝导体线圈热源附近进行电磁感应热 处理。学者为此情况编制了重新对有限元网格进行划分的a n s y s 子程序，它的 作用是实现了用全新的网格模型对电磁场进行仿真，网格和电磁线圈在运动过程 中所处的位置相呼应，构件的内部加热源也相应运动最后通过电磁场计算导出。 第二个是静态加热，线圈和构件都是不动的，最后得出经过感应淬火热处理的试 件内部残余应力场分布。 c h a d e z c 【2 8 】基于复相磁矢势的理论，设计提出了数值模拟的数学理论模型， 研究了如何针对轴对称的构件模型合理的划分网格，主要观察模拟了在热处理过 程中外表面不规则的构件的温度分布情况，模拟结果和实际用热电偶获取的数据 进行了比较，吻合情况良好。在其研究中还利用了螺线圈不均匀分布的缠绕方法， 有效的完善了对外形不规则构件进行电磁加热热处理时温度分布不均的问题。 尽管外国研究人员在电磁感应计算机仿真方面取得了丰硕成果，不过绝大多 数文章像文献 2 9 卜一【3 l 】都没有对研究对象的材料属性中性能随温度的变化而呈 现非线性变化加以特别关注，而材料的非线性往往会对最后的模拟结果产生很大 的影响。 综上所述，虽然国内外学者在感应加热数值模拟方面做了大量工作，但往往 都是针对单物理场，或感应加热在某一方面的应用，在对所研究问题影响不是特 别大的情况下，做出诸多简化，在一维或二维平面空间上建立模型，这样一来的 后果就是忽略了垂直于平面的第三维方向上的形状变化所带来的影响，尤其是在 关系到构件焊接残余应力的时候，整体形状的变化往往对计算结果起到了决定性 的作用。其次，现有文献在模拟感应加热热处理过程中只对加热结束后最终温度 分布情况进行简单的分析并且和实际进行对比，而没有对热处理过程中最重要的 升温、保温、冷却过程进行模拟，一般只采用恒定的载荷，温度自由升高而不加 以控制，最终达到预定的温度值，忽略了升温速度和高温保温时间对热处理效果 的影响。最后，电磁感应加热局部热处理时，由于受热不均，构件不同部位存在 较大温差，因此有可能引入的新的残余应力，温度分布的不均匀究竟能引入多大 的新残余应力，对此国内外学者鲜有相关研究和发现。 1 3 加氢反应器简介 对加氢反应的研究在1 9 2 7 年左右得到长足发展并且在工业生产上进行了大 范围的使用，然而高温高压反映装置在制作过程中需要使用大量的合金材料，因 第一章绪论 此反应仪器制造技术的发展落后于加氢工艺本身的发展，给整个加氢工艺的研究 造成了瓶颈。加氢过程包含加氢精选和加氢裂解。前者最重要的作用是减掉原料 中所含的氧、硫、氮、等杂质和饱和烯烃，使原料油的可靠性、铅敏感度、色泽、 味道、燃烧效率还有饱和系数等方面有了大幅度的提高。原料石油经过催化剂的 催化作用，和压力很高的氢气处于1 7 0 4 5 0 条件下进行反映。后者的作用是将 原料油中的烃类放置于一定比例的催化剂和高温高压力的氢气环境下，使其发生 反应变为小分子产物【3 2 】。 现代原油生产时的加氢反应设备的作用是取得质量更好的石油，增加产量， 尤其是中等馏分石油的产量，加氢工艺解决了硫含量高的原料在进行生产提纯过 程中所遇到的困难。随着学者们对加氢领域的研究不断深入，加氢设备中的最重 要部分热壁加氢反应器的制备工艺同时也得到了巨大提高【3 3 - 3 4 1 。加氢反应设备有 两种，一种是加氢精制反应器，另一种是加氢裂化反应器。简单的说，加氢反应 器就是为了原油和氢气在高温高压以及催化剂的作用下发生反应提供了场地。 加氢反应设备一般的反应温度都高于4 5 0 、反应压强都在2 0 m p a 左右， 而且设备中的反应物成分都是具有硫、氮等杂质的，这些杂质大多数会和氢气发 生化学反应产生硫化氢以及氨气。加氢反应是一种会产生高反应热的放热过程， 因此局部区域的过热是需要避免的。反应过程中要阶段性的向容器内加入1 5 0 氢气对反应进行冷却【”】。 在现今所应用中的加氢反应器种类分为以下几种：整体锻焊结构反应器、 单层卷板结构反应器和多层组合结构反应器。前两种结构在我国的工业生产中已 经出现。最初的反应器是单层外壁结构，由于工业生产设备日趋大尺寸化，厚板 结构技术又处于不成熟的研究阶段，加氢反应器曾尝试制造多层外壁结构。随着 制造大厚度板材技术的日臻完善，到七十年代初期，多层加氢反应器已经不再被 使用。之后由于冶金技术还有堆焊工艺的成熟发展，热壁加氢反应器应运而生。 到了八十年代国内经过与国外技术人员的合作，也逐渐研究并且制造出热壁加氢 反应器【3 6 】。热壁反应器在以下诸多方面优于冷壁反应器： ( 1 ) 、熟壁加氢反应器器壁避免了局部过热现象的产生，使反应过程的安全 可靠性得到了有效的提升。冷壁反应器在反应时隔热衬里非常容易由于各种原因 而破损。 ( 2 ) 、熟壁反应器使反应器的体积得到最大程度的有效应用，它的有效面积 利用率( 也就是反应时催化剂装入所占的体积与反应器整体体积的比) 高达 7 5 9 0 ，而冷壁反应器结构一般仅仅为4 5 6 0 。 ( 3 ) 、热壁反应器结构进行生产时所耗费的时间较少，设备维修简便。 加氢反应器通常采用细长的制造形状，以适应其特殊的工作环境，并且在两 6 第一章绪论 端制造球形封头。加氢反应器在反应时的原理为：把规定比例的氢和原油从加氢 反应器的顶部端口加入，经过入口处的分配装置以均匀的分布将氢和原料油分配 到反应器中的催化剂上，在层状空间内进行反应。因为加氢反应是一种放热反应， 所以必须有能调节内部温度的措施，因此要同时加入温度相对较低的氢气进行冷 却控制温度不要过高，冷的氢气与汕气混合吸热，降低反应器内过高的温度。加 氢反应是分几个阶段进行的，在多次催化反应之后，成品油会从加氢反应器底部 的出口流出来。 加氢反应器在对原料油进行炼制提纯变成成品油的过程中起着举足轻重的 作用，其生产制造和运行的条件十分苛刻，一般在高温和高压还有h 2 s 的腐蚀 中进行，其安可靠性影响着整个生产过程，对于它的制造有着及其严格的标准和 要求。 1 4 本课题研究内容 本研究会重点关注电磁感应加热的最基础理论，并且探索发掘理论成果对于 工程施工的实际指导意义，通过有限元计算分别对进行电磁感应加热局部热处理 后的构件的各项物理参数进行考察，考察对象包括电磁场的分布、涡流的位置、 温度场和残余应力场的分布情况，以及参数设置对于这些物理场所产生的影响。 首本文一开始就对电磁感应加热的有限元基本理论进行探索，依据电磁学还 有热学的理论，建立了计算磁和热两种物理场耦合的数学模型。接着以有限元理 论为依据，研究了如何运用a n s y s 软件实现电磁感应局部热处理的数值模拟计 算，给出计算实例并对其进行分析。 本文的研究对象是加氢反应器筒节与筒节环焊缝，加氢反应器每个筒节内径 长4 米、厚度2 0 0 n 城、轴向长2 米，在局部焊后热处理时，均热区宽度，加热 区宽度和保温区宽度是3 个需要的控制参数。均热区的意思是在有热源加热的区 域内，温度处于热处理标准所规定的温度范围之内( 如6 5 0 6 8 0 ) 的区域； 加热宽度即加热热源覆盖表面的宽度；保温区宽度即隔热材料覆盖表面的宽度。 加热宽度是其中最主要的一个控制参数。它应保证均热区宽度处于标准要求的允 许范围之内，并取得消除残余应力的最佳效果。本文的研究目标是找到加热宽度 和保温宽度的最佳参数配比，使加氢反应器在进行局部热处理过程中，焊缝处温 差保持在一定的范围内，以致于不会在焊后热处理中由于局部温差过大而引入新 的残余应力。按照汪建华、陆皓等人提出的基于改善焊接接头性能的均热区温差 准则【3 7 弘】，均热区域( 考察区域) 的温差应当控制在2 5 内。 在国内外压力容器标准中，美国的a s m e 锅炉压力容器规范对焊后局部热 7 第一章绪论 处理的均热宽度作出了规定，现摘录a s m e 二分册6 4 3 1 节如下： a sam i n i m u m ，也es o a kb 锄ds h a nc o n t a mt h ew e l d ，h e a ta a e c t e dz o n e ，觚da p o r t i o no fb a s em e t a la d j a c e n tt om ew e l db e i n gh e a tt r e a t e d t h em i n i m u mw i d t l lo f t l l i sv o l u m ei s t l l ew i d e s tw i d t l lo fw e l dp l u st 1 1 en o m i n a lt l l i c k n e s sd e f i n e di n p a r a 莎印h6 4 2 ：7o r5 0m m ( 2i n ) ，w h i c h e v e ri sl e s s ，o ne a c hs i d eo re n do ft h ew e l d 翻译成中文如下：均热带( s o a kb 锄d ) 应包括焊缝热影响区及邻近的母材， 其宽度应为焊缝最大宽度处的每侧各加6 4 2 7 节定义的公称厚度或5 0 i 】 1 i i l ( 2 i n ) 两者之中较小者。 按照a s m e 标准的要求，结合本文研究的对象，加氢反应器筒节的厚度为 2 0 0 m m ( 大于5 0 m m ) ，焊缝宽为3 0 r n m ，因此均热宽度应为焊缝每侧各加5 0 m m ( 3 0 + 5 0 + 5 0 ) ，也就是总体均热宽度应不小于1 3 0 删吡。 g b1 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器标准中在1 0 4 5 3 节对焊后局部热处理的加热宽 度规定为：局部热处理时，焊缝每侧加热宽度不小于钢材厚度的2 倍：接管与壳 体相焊接时加热宽度不得小于钢材厚度的6 倍。靠近加热区的部位应采取保温措 施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。 根据g b1 5 0 1 9 9 8 标准的要求，结合本文研究的对象，加氢反应器筒节与筒 节环焊缝的加热宽度应大于4 0 0 姗。 对内径4 米厚度2 0 m 嫩的加氢反应器筒节这样的超大型构件进行电磁感应 加热局部热处理，还没有前人进行过尝试，所以没有实际的数值可以参考借鉴， 模拟结果的准确性也不能得到有效验证。为了验证模拟结果的准确性，我们先对 一个尺寸相对较小的构件接管环焊缝试件进行实际实验，掌握各项实际实验参数 和温度随时间变化的结果。再对接管环焊缝试件进行计算机模拟分析，把模拟结 果和实际实验得到的数据进行对比，以验证模拟方法和各种参数设置的准确性。 在进行接管环焊缝试件模拟时，电流载荷大小、频率、加热宽度和保温宽度 完全按照实际实验时的参数进行设置，在模拟过程中的一些高温参数很难实际测 得，比如试件在高温时与空气的对流散热系数，因为对流散热系数受实验场地周 围的环境影响很大，风速和室温的改变都可能有较大影响，做接管环焊缝试件模 拟的目的就是对各种参数设置不同值进行尝试，同时也对整个模拟程序进行调 试，如果最后的模拟数据与实际实验数据吻合良好，则可以应用同样的方法对加 氢管进行模拟。最后的研究目标就是得到加氢反应器局部热处理过程中所需的， 加热宽度和保温宽度等几项实验参数合理的配比。 加氢反应器模拟思路是先根据g bl5 0 标准所给出的加热宽度进行计算，保 温宽度先设置为管子内壁外壁所有地方全部保温( a s m e 和g b l 5 0 对保温区域 均没有详细的说明) ，看结果能不能达到我们所需要的温度分布标准，因为国标 8 第一章绪论 1 5 0 标准给出的加热宽度值比较小，结果不能达到上文所述热处理规定的要求： ( 1 ) 按照a s m e 标准结合加氢反应器尺寸，要求均热宽度大于1 3 0 m m ：( 2 ) 按 照汪建华、陆皓等人提出的基于改善焊接接头性能的均热区温差准则【3 7 3 引，均 热区域的温差应当控制在2 5 内。因此，需要继续逐渐增加加热宽度再次计算， 直到计算结果达标，找到一个最合理的加热宽度l ，然后在加热宽度l 不变的情 况下调整保温宽度，从全保温逐渐减小保温宽度，找到一个保温宽度最小且可以 达标的值，使焊后热处理能达到较好的消除残余应力的效果，又能减少工程施工 成本。 最后采用粘弹塑性有限元法，根据温度场分布的情况，计算局部热处理加热 宽度与均温区残余应力的关系，比较不同加热宽度下，由于局部热处理受热不均， 引入新残余应力的大小，从残余应力的角度评价先前根据温度场分布和均热区域 温差大小所得到的最佳加热宽度的值。 1 5 本章小结 本章内容首先简单阐述了本项研究的课题背景，电磁感应加热技术的发展现 状和它在工业生产中的应用范围。接下来具体阐述了国内外研究者在电磁感应加 热数值仿真模拟方面所取得的研究成果。接着又进一步介绍了加氢反应器在国内 外的发展现状。本章结尾提出了本课题的研究意义以及所涉及内容。 9 第二章感应加热原理及t 程应用概述 第二章感应加热原理及工程应用概述 2 1 感应加热原理 电磁感应热处理的根本是运用交变磁场中的导体会产 生感应电动势的原理，通过导体表面感应而生的涡流产生热 量使构件温度升高，电磁感应基本模型如图2 1 。利用电磁 感应对构件加热也被称做涡流加热。焦耳楞次定律可以充 分描述说明电磁感应的基本原理。 图2 l 电磁互感定律可以简单的定义为：在某一闭合导体回路所包含的平面上，如 果穿过此平面的磁通量不断改变，这个导体回路上便会产生感生电动势e ： 忸) p = 孝高 协1 ) 焦耳一楞次定理可以表达如下： q = f 2 r f ( 2 - 2 ) 在方程中： q 一导体中功率的损耗所变成的热量大小，焦耳( j ) i - 导体中流过的电流强度，安( a ) l 卜电阻，欧姆( q ) 卜电流经过导体时间，秒( s ) 利用感应加热和利用电阻法对试件进行加热是热处理时最常用的两种方法， 清楚了解二者的不同之处可以对电磁感应加热的理解有很大的帮助作用。电阻加 热是利用通电导体产生的电阻热量，在通电导体与目标加热工件相接触的情况 下，热量传递到目标工件使其温度升高。而在进行感应加热时通电导线和目标加 热工件不接触，磁场作为连接通电线圈和目标工件的媒介，磁场的不断变化在目 标工件表面产生感应电流，工件与加热线圈的沟通是通过磁场这个无形的桥梁。 电磁加热和电阻加热的共同点是二者的根本都是电流通过时产生的电阻热加热。 显然，电磁感应加热这种方法不仅涉及到交变磁场在导体表面产生感应电 流，还涉及到热传导这种物理现象。前者在整个热处理过程中起着主要作用，热 传导过程受到电磁感应的控制和影响。热传传导传导的热能是电磁感应时所产生 的涡流供给的。 l o 第二章感应加热原理及工程应用概述 铁磁材料在电磁感应过程中，磁滞热效应也起着一定的作用，但是比涡流热 要小很多，因此下面的计算研究时将磁滞热效应忽略不计。 2 2 集肤效应与透入深度 2 2 1 集肤效应【3 9 】 正如大家所熟知的，当导体中通入的是直流电时，电子在导体中的任意一个 截面中都是平均分布的，但是当交流电通过导体时，电子会集中在导体的外表面 上，在心部只有非常少量的电子分布，从而形成了从外到内电子数量由多变少的 趋势，此现象被称作集肤效应。感应加热就是利用的交流电源，所以存在较明显 的集肤效应。 交流电通过导体的同时，导体中便产生了电场，导体外形的变化影响着电流 强度的分布情况，但在相同截面上的电流强度是相同的。与此同时，变化的感应 电流会在导体和导体附近区域产生变化的磁场。依据电磁感应理论所述，感应电 流引起的磁场又会在导体表面产生变化的电场和新的感应电流，新产生的电磁场 与电流均和电源的电流方向和电场分布方向相反。假如很多极细的导线组成一个 整体，当电流流过细导线时，整体所包含的每一条导线都会分别产生感应磁场。 如图2 - 2 所示，导体由三条导线组成，显而易见，b 、c 线在a 处的电场会大于b 、 a 在c 区域和a 、c 在b 处的电场，由此可见工件整体形成中心感应电场最强表面 最弱的效果。 7 0 l 卜一 ， l 一1 l t 一 l 卜一 1 l i 电源电场感应电场总电场 图2 2 导体中电流线图2 3 导体中电场的关系 综上所述，在进行电磁感应加热的过程中，加热对象内部会产生两种不同类 型的电场，分别是由电源供电所产生的电场，此种电场的特点是加热对象各个断 面上电场都是相等不变的，还有由于磁场不断变化生成感应电流所构成的交变电 场。图2 3 是不同种电场耦合在一起的综合效果。综合后的结果是电场方向与电 第二章感应加热原理及丁程应用概述 源一致，外侧场强高而内侧低，并且是渐进改变，电流密度变化趋势也是一样的。 2 2 2 透入深度 本文所用数学计算模型一改以往常常采用的圆柱体模型，而采用了大厚度平 面板材模型，依据平板结构来推导计算方程，此种方程与圆柱体方程相比，使用 了正弦函数与指数函数这两种比较易推导的方程形式，而圆柱体模型在进行数学 推导时采用的复杂函数很难在实践中得到应用。电磁感应加热时方程解的实数部 分如下所示【2 1 ： 以o ) = 风e x p ( 一缈) c o s ( 删一缈) r 2 3 、 由此可得：y = 0 区域也就是表面上，皿= 风c o s ( 删) ：在其它深度处磁场的 大小按指数规律下降和变化，不过在相同频率下( 用t 表示) 与表面磁场有一定 的相滞后( 用一鲫表示) 。 当y = l a 时，磁场的大小下降到其表面值的e 1 倍，相位变化1 个弧度。在 该深度处，磁场的大小是表面磁场的l e ( = o 3 6 8 ) ，这是一个很重要的概念，因此 命名为集肤深度或透入深度。理解这一概念是很重要的，它们并不意味着在透入 深度以外不再有磁场，例如，在透入深度的2 倍处( y = 2 a ) ，磁场的大小为e 之h o ( 即 0 1 3 5 h o ) ，己下降到很小的数值。 定义a 2 为u ( 1 ) 2 p ，于是 斤： 透入深度万= f 竺( 2 _ 4 ) 缈 式中| l = l ir i io 集肤深度的使用把复杂计算过程大大的化简。集肤深度是在求解方程过程中 进行合理假设的理论依据，交变磁场所产生的交变电流中电子按指数的规律在导 体横截面变化，这样会使得计算推导过程十分繁琐，而集肤深度的假设为简化计 算过程提供了非常好的方法。 通过以上推导可以看到，集肤深度最深层的电子数量是外表面的3 7 ，换而 言之，电流聚集在集肤深度之内，在集肤深度之外的区域的电子分布数量是非常 少的。导体中有电流通过的时候，电阻产生的焦耳热和电流大小的平方成正比例 关系，所以功率的大小从外侧向中间逐渐减小的趋势更加迅速和强烈，集肤深度 之内，功率最多下降到外侧的1 4 左右，也就是说集肤深度中聚