基于MSC.Marc有限元仿真下的火力发电机组高合金钢管热处理研究与应用

基于 MSC.Marc有限元仿真下的火力发电机组高合金钢管热处理研究与应用

刘 磊 杨士伟

中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 山东济南 250104

摘 要：超超临界百万机组能效水平不断提升，大量高合金钢投用和递进式设计都将给现场热处理作业带来一定影响，施工单位按需编制各种现场条件下的热处理工艺，频发热处理质量问题存在多方面原因，同时也困扰着部分年轻的专业技术人员。本文将以某大型百万二次再热机组安装工程建设为背景，重点讲述非线性有限元软件MSC.Marc中热分析应用对热处理工艺准确核查的作用，并尝试解释应用计算机仿真技术思路在工程建设中的必要性。

关键词：百万机组 高合金排管 热处理 非线性有限元分析

1 前 言

MSC.Marc非线性有限元分析软件具有功能强大的三维稳态/瞬态热传导分析能力，能够描述各类同性、各向异性、正交各向异性的热处理参数，同时提供四种热分析边界条件：温度、热流强度、表面对流、表面辐射，中文用户界面友好。在焊接模块加持下能够实现与作业工艺相仿的电-热-结构耦合分析，可为重要工序、工艺提供预判基础。另外，二次开发应用编制各种典型材料本构、边界条件等的分析子程序，从而形成可长期持续应用和发展的分析系统。通常二次再热超超临界百万π型炉机组焊接热处理总数量约3.5万只，其中小径管热处理数量2.7万余只，高合金排管多以SA-213T91、SA-213T92为主，管径多为φ60以下、壁厚15mm以内，本项目焊接热处理技术工作融合了有限元热分析仿真基础，对应经验可为有类似需求个人及单位提供借鉴。

2 焊后热处理的非线性仿真

非线性仿真需要对现实物体进行建模，施加到模型的参数准确与否直接影响计算结果与实际结果的一致性。例如所研究的高合金排管就需要预先对照图纸和现场情况组建1:1三维计算模型，并确保模型性质定义为实体而非片体或线体。电-热-结构分析条件的材料物理性参数数值与单位要确保准确，如热导率（W/m·K）、线膨胀系数（1×10^-6/℃）、弹性模量（Pa）、泊松比、比热容（J/Kg·K）、密度（Kg/m³）、磁导率（H/m）、介电常数（F/m）、电导率（Ωm）、发射率等，有些参数关联空间向量或无法直接获取，可能需要采取诸如高阶计算或是回归法测量对该部分系数进行确定。在边界条件下施加载荷需要注意实体划分网格精细程度对数据计算收敛影响以及各接触体间关系，网格足够精密方能得到准确结果。综上，建模及计算过程较为复杂。本着由简入深思路，对焊后热处理仿真模型进行简化，加热器与管件接触面导热过程仅考虑热传导，暂且定义相同物理参数，加热区外管件存在对流换热，忽略加热器、管内壁等空腔热辐射影响。

2.1通用仿真流程

图1 仿真求解流程

2.2仿真设计思路

通过模拟焊后热处理仿真获取加热过程中的温度热流分布图，找出异常加热区域，施加具体的温控工艺措施，如温控再分区、调整升降温速度及恒温时间、改换其他规格加热器、阻热隔离等。经过对仿真过程各影响参数及载荷的调整，敲定主要影响因素，以最优的热处理工艺方案投入应用，另将其实际应用后的质量结果进行收集，修正热处理仿真精度。在大量热处理工作投入前完成该处工艺校核，有侧重点的对现场各热处理工作进行专业管理，提高热处理施工质量，降低成本。

2.3建模过程

查阅安装图纸，利用外部CAD类软件生成与对应的三维实体。另外，针对加热器与管壁接触问题做简化处理，因为非同质物体间接触换热系数很难得到，最终侧重点仍在管侧，故可采取过盈方式对加热器附着进行模拟，并采取差集方式得到加热器侧的接触模型，依据规范加热宽度300mm，可设计多个加热模型：前后（左右）独立控温、两端边管全（半）包覆等。本仿真案例加热区内管径分别为φ51、φ57、φ60，壁厚均为15.5mm，加热采用全包覆，忽略实际情况下分区控温断点输出时热量的交替性特点。

安装图 3D建模图 现场实体 加热模型

图2 高合金排管（末过入口）实物建立模型

实体网格划分结束后对各接触体的接触关系进行分别定义，因简化模型暂不考虑金属热膨胀后的相对位移，故以“粘贴”定义其接触类型。

图3 网格划分

单一热分析中热导率、比热容、密度及对流换热系数为主要参数，其随温度变化关系可利用表格自变量方式进行逐一编辑，并在定义材料特性时予以调取。

表1 SA-213T91/P91主要物理特性

图4 热导率及比热容数据表定义

热分析初始条件目的是建立模型中各部分的起始温度，边界条件则在初始条件基础上加以定义热载荷类别，常用如温度约束、单元面对流，这里的温度约束可以用于模拟加热器升降温过程，单元面对流则对应加热区外管壁散热状态的模拟，简单模型的载荷就此建立。

图5 温度约束 图6载荷分类显示

在瞬态分析工况中提交任务，并通过后处理结果察看器调整温度矢量布局云图，观察热处理仿真过程中管件温度场，由此可见全包覆加热器模式下两端管子温度较高，若作为控温点则中部管束在恒温时温度（图中部差异较大是网格细化问题）是大幅低于边管的，与规范质量要求不相符，据此改进工艺措施，再按流程进行仿真直至与工艺质量要求相符，投入现场验证实际效果。

图7简化后的模型温度场分布及取样点历程曲线

2.4指导意义

非线性仿真在工程中的应用将给各类同（异）型管道、管件、结构热处理问题提供另一种解题思路，相对于标准规范给定的温控参数推荐区间，通过此类方法能够得到更为精准的特定值，如热处理可按需定制专用加热器（功率），节能的同时经济效果也十分理想。随着使用者进一步掌握周边专业知识，将能处理更加复杂的工程实例问题，如重型吊装负荷复查、焊接工艺预评定力学性能分析等等，也有利于激发年轻技术管理人员专心研究的工作热情。

3 结 语

非线性有限元软件看似应用较为简单，但其背后的各类学科专业知识结构极为庞大，要想用精则有一定难度，不是掌握单一学科的人员能够驾轻就熟、灵活应用的，需要使用者亲力亲为从头学习每项知识理论，方能在设计模型时正确填选特征参数。另外，大多数有限元分析软件在应用过程中都需要计算机具备足够的计算能力，否则明知道网格细化进入高阶能够得到极为精确结果却因计算能力差只能放弃。目前，在非科研领域投入简化模型仿真还是有一定的效率优势，这也奠定了高新企业在未来工程领域技术指引的新趋势。

参考文献：

[1]孙丹丹，陈火红.全新Marc实例教程与常见问题分析（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2016.10

[2]张士宏，刘劲松.材料加工先进技术与MSC.Marc实现[M].北京：国防工业出版社，2015.1

[3]黄志波，刘雪松，马瑞，刘建光，王苹.MSC.Marc工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.9

[4]杨富，章应霖，任永宁，李为民.新型耐热钢焊接[M].北京：中国电力出版社，2006.7

[5]樊东梨，徐跃明，佟晓辉.热处理工程师手册-2版[M].北京：机械工业出版社，2004.9

作者简介：

刘磊等，中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司，邮箱liulei@sepco1.com。