一种三通管接头焊后热处理方法与流程

1.本发明属于焊接领域，具体涉及一种三通管焊后热处理方法。


背景技术：

2.马氏体钢具有良好的强度、硬度与耐磨性，在工业生产中获得了广泛应用，在能源、化工领域中常用于介质腐蚀性不强的管线制造。然而，马氏体钢焊接性能有限，在焊接时容易产生冷裂倾向和接头脆化，往往需要通过焊后热处理来改善其焊缝组织的韧性以及降低残余应力。对于马氏体钢制造的三通管接头而言，三通管的三道焊缝距离较近，焊接与热处理过程中热输入相互影响，按照传统方法逐一进行焊后热处理不仅增加工时消耗，还容易导致不同焊缝间热处理输入的热量相互干扰，使焊缝组织温度偏离设计，降低了焊后热处理的效果，影响了三通管接头的焊接强度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种三通管接头焊后热处理方法，能够对三通管的各条焊缝进行同步热处理。
4.根据本发明的实施例，提供一种三通管接头焊后热处理方法，该方法利用加热器对三通管进行加热，所述三通管上设置有第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝，该方法包括以下步骤：建立所述三通管的有限元模型；设定所述第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝的热量输入条件q1、q2和q3，设定所述三通管热传导的边界条件，建立所述三通管的热处理温度场仿真模型；给定目标加热温度tc和迭代阈值t，利用所述热处理温度场仿真模型计算平衡状态下所述第一焊缝的温度t1、所述第二焊缝的温度t2和所述第三焊缝的温度t3；设置迭代退出条件|t
1-tc|《t，|t
2-tc|《t，|t
3-tc|《t，以q1、q
2,
、q3的数值作为变量进行逐一迭代计算，获得满足所述迭代退出条件的热量输入条件q*1、q*2、q*3；在所述第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝上布置加热器并以q*1、q*2、q*3热量输入条件进行同步加热。
5.通过上述方法，首先利用有限元分析对三通管的加热过程进行数值模拟，从而设计出合理的热量输入条件，从而实现对三通管三条焊缝的同步加热，有效缩短了三通管的焊后热处理工时，避免了逐一加热时不同焊缝相互影响引起的组织性能衰退。
6.进一步地，所述迭代计算的方法包括以下步骤：
7.i.当|t
1-tc|》t，对q1进行数值迭代调整直至|t
1-tc|《t；当|t
1-tc|《t，进入步骤ii；
8.ii.当|t
2-tc|》t，对q2进行数值迭代调整直至|t
2-tc|《t；当|t
2-tc|《t，进入步骤iii；
9.iii.当|t
3-tc|》t，对q3进行数值迭代调整直至|t
3-tc|《t；当|t
3-tc|》t，判断是否同时满足|t
1-tc|《t和|t
2-tc|《t，若是，则确定当前的热量输入条件为q*1、q*2、q*3；否则返回步骤i继续迭代。
10.通过上述迭代计算，对三条焊缝的热输入条件进行逐一迭代优化，最终获得同时满足三条焊缝热处理工艺要求的热输入条件。
11.进一步地，所述数值迭代调整采用二分法迭代。利用二分法进行数值迭代能够缩短计算过程，降低模拟运算量。
12.进一步地，所述热量输入条件通过调整所述加热器在所述第一焊缝所在区域的覆盖宽度h1、在所述第二焊缝所在区域的覆盖宽度h2和在所述第三焊缝所在区域的覆盖宽度h3实现。通过调整加热器覆盖宽度，能够在不改变面热流密度载荷的情况下改变热输入条件，一方面降低迭代计算过程的计算量，另一方面降低对加热装置的硬件要求。
13.进一步地，进行迭代计算时，起始热量输入条件中h1、h2、h3的数值分别为所在区域管壁厚度的3倍。合理地设置初始条件能够降低迭代过程的计算总量。
14.进一步地，所述有限元模型配置为1:1比例模型，所述有限元模型网格划分单元类型为二阶20节点六面体传热单元。有限元模型网格尺度的划分决定模拟计算结果的精度和计算量，单元过大精度不足，单元过小计算耗时过长。
15.进一步地，tc为740℃-780℃，t《3℃。。tc为决定马氏体钢焊后热处理效果的关键参数，t的取值决定了迭代计算的精度与总计算量。
16.进一步地，加热速度设置为5500/d℃/h以上且不超过220℃/h，冷却速度设置为7000/d℃/h以上且不超过280℃/h，其中d为以mm为单位计的管壁厚度。
17.进一步地，所述加热器包括热电偶与保温结构，在加热时环绕包覆于所述三通管上。保温结构降低热处理过程中的热量散失，其覆盖区域边界条件设置为绝热条件。
18.进一步地，该方法还包括对所述热处理温度场仿真模型的热输入位置进行调整的步骤。在特定的模型中，根据初始条件设置的不同，迭代计算的结果可能出现不收敛或收敛速度很慢的情况，在这种情况下可以对热输入的位置进行调整以优化加热模型。
19.进一步地，该方法中三通管采用马氏体钢制造。马氏体钢具有冷裂倾向，焊后性能容易发生显著衰退，对焊后热处理的工艺要求较高。
附图说明
20.图1为一实施例中三通管及加热装置的结构示意图。
21.上述附图的目的在于对本发明作出详细说明以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明。为了表达简洁，上述附图仅示意性地画出了与本发明技术特征有关的结构，并未严格按照实际比例画出完整装置和全部细节。
具体实施方式
22.下面通过具体实施例结合附图对本发明作出进一步的详细说明。
23.本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本文的至少一个实施例中。在说明书的各个位置出现的该短语并不一定指代同一实施例，也并非限定为互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当能够理解，在不发生结构冲突的前提下本文中的实施例可以与其他实施例相结合。
24.本文的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，可以是活动连接，也可以是固定连接或成一体。对本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术实施例中的具体含义。
25.本文的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”、“高度”、“长度”、“宽度”等
指示方位或位置关系的术语目的在于准确描述实施例和简化描述，而非限定所涉及的零件或结构必须具有特定的方位、以特定方位安装或操作，不能理解为对本文中实施例的限制。
26.本文的描述中，“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同对象，而不能理解为指示相对重要性或限定所描述技术特征的数量、特定顺序或主次关系。本文的描述中，“多个”的含义是至少两个。
27.马氏体钢作为常规钢材中强度、韧性、硬度等综合力学性能最优的材料之一在工业中获得了广泛应用。在能源、化工等领域，对于腐蚀性不强的介质，常采用马氏体钢进行管线制造，因此需要大量实施马氏体钢管件的焊接作业。其中，三通管焊接是管线作业中常见的施工场景之一。虽然马氏体钢力学性能优异，由于其组织特点，马氏体钢制件的焊接性能有限，如果不进行焊后热处理，马氏体钢焊接接头容易产生冷裂倾向，接头强度与韧性也会发生显著衰退，不利于工业生产。而马氏体钢接头的焊后热处理工序有较为严格的温度控制和时间窗口要求：既不能在焊接后马上实施，否则不利于焊缝组织强化；也不能在接头充分冷却至室温后开展，否则可能发生接头冷裂。同时，马氏体钢焊后热处理时间较长，其焊缝组织演化对温度较为敏感。如果对采用马氏体钢制造的三通管采用传统方法，逐一对三道焊缝分别实施焊后热处理，一方面会消耗大量工时，例如总作业时间可能超过30小时，成本高昂；另一方面焊缝之间相互影响，一条焊缝进行热处理时由于热量传导影响，在一些作业场景中相邻的焊缝组织温度可能达到500℃以上，长时间加热会对钢材组织产生显著的负面影响，导致强度与韧性的衰退。
28.为了解决上述问题，本发明的实施例提供一种三通管接头焊后热处理方法，能够对三通管上的焊缝进行同步热处理，节约工时的同时降低长时间加热对焊缝组织性能造成的损害。
29.该方法包括以下步骤：
30.首先，对如图1所示的由马氏体钢制造的三通管10，根据三通管尺寸，利用有限元软件建立三通管模型并进行网格划分，在优选实施例中采用1:1比例建立有限元模型并采用二阶20节点六面体传热单元进行仿真模拟。
31.接下来，设置热量输入条件，针对第一焊缝21、第二焊缝22和第三焊缝23设置热量输入条件q1、q2和q3，在优选实施例中，通过给定的面热流密度载荷，调整三条焊缝热输入面的宽度h1、h2、h3来实现热量输入条件的设定。设置边界条件，考虑实际条件下，优选实施例中加热器30配置有保温结构例如隔热棉，保温结构覆盖范围内的管道表面设置为绝热边界条件，其他区域则设置为自然对流边界条件。通过上述步骤，完成三通管10的热处理温度场仿真模型的建立。
32.下一步，给定目标加热温度tc和迭代阈值温度t。在优选实施例中，考虑马氏体钢焊后热处理工艺规范与三通管实际厚度，tc通常在740℃-780℃范围内，迭代阈值温度t不超过3℃。
33.随后，设置迭代计算的退出条件，|t
1-tc|《t，|t
2-tc|《t，|t
3-tc|《t，其中t1、t2、t3分别为第一焊缝21、第二焊缝22和第三焊缝23区域的温度。利用前述建立的热处理温度场仿真模型，计算达到热平衡状态下各焊缝组织的实际温度，并对q1、q2和q3进行迭代计算，直至得到满足退出条件的热量输入条件q*1、q*2、q*3。
34.在优选实施例中，迭代计算步骤如下：第一步，判断第一焊缝的温度条件，当|t
1-tc|》t，对q1进行数值迭代调整直至|t
1-tc|《t；当|t
1-tc|《t，进入第二步；第二步，当|t
2-tc|》t，对q2进行数值迭代调整直至|t
2-tc|《t；当|t
2-tc|《t，进入第三步；第三步，当|t
3-tc|》t，对q3进行数值迭代调整直至|t
3-tc|《t；当|t
3-tc|》t，判断是否同时满足|t
1-tc|《t和|t
2-tc|《t，若是，则确定当前的热量输入条件为q*1、q*2、q*3；否则返回第一步继续迭代。
35.在优选实施例中，数值迭代调整采用二分法进行：在一个通过热输入面宽度控制热量输入条件的实施例中，以第一焊缝21为例，当t
1-tc》t时取h
1(2)
＝0.5h1，当t
1-tc《-t时取h
1(2)
＝3h1，将h
1(2)
代入热处理温度场仿真模型计算得到热输入面宽度调整后的温度t
1(2)
；当|t
1(2)-tc|》t，令h
1c
＝(h1+h
1(2)
)/2，代入模型计算得到新的温度t
1c
；检验|t
1c-tc|《t是否成立，若否，判断(t
1-tc)(t
1c-tc)的符号，当(t
1-tc)(t
1c-tc)》0时令h1＝h
1(2)
，当(t
1-tc)(t
1c-tc)《0时令h
1(2)
＝h
1c
，并迭代计算新的h
1c
＝(h1+h
1(2)
)/2，直至满足|t
1c-tc|《t，此时的h
1c
即为满足迭代退出条件的热输入面宽度，从而最终确定符合设计要求的热量输入条件q*1。
36.最后，根据模拟计算的结果，在三通管10上布置加热器30，并在焊缝位置分别布置感温热电偶31进行温度测量，按照模拟计算的结果分别为第一焊缝21、第二焊缝22和第三焊缝23同步提供q*1、q*2、q*3的热量输入条件，完成该三通管10的焊后热处理。
37.在一个实施例中，结构如图1所示的三通管10，通过第一焊缝11、第二焊缝12与主管11、主管12连接，通过第三焊缝13与支管13连接，其中主管11、主管12的规格为φ559mm
×
54mm，支管13的规格为φ273mm
×
29mm，该三通管10及主管11、主管12、支管13的材质为p91钢。其热处理步骤如下：
38.首先，根据三通管10的尺寸信息，利用有限元软件abaqus建立1:1比例模型，按照5mm尺寸用二阶20节点六面体传热单元dc3d20进行网格划分，在预设加热器30的接触面内施加面热流密度载荷，根据实际尺寸预设加热器30的保温结构覆盖范围，覆盖范围内设置为绝热边界条件，其他管道表面设置为自然对流边界条件，以加热器30在第一焊缝21、第二焊缝22和第三焊缝23处的接触面宽度h1、h2、h3作为变量，从而建立起该三通管10的热处理温度场仿真模型。其中，加热器30可以采用电阻式加热器或感应加热器，通过改变附着于管道表面的电阻丝或感应线圈的长度、位置来实现接触面宽度的调整。对于实际热处理过程而言，改变电阻丝分布比调节电流大小对设备要求更低，加热过程的温度稳定性也更好。在其他实施例中也可以采用固定加热器接触面宽度，改变加热器加热功率的方式进行模拟计算。
39.接下来输入起始条件进行仿真模拟，h1＝h2＝162mm，h3＝87mm，接触面相对于焊缝对称设置，马氏体钢焊后热处理目标温度tc通常设置为740℃-40.780℃，在本实施例中提取管道焊缝内表面的单元作为检测单元，设置目标加热温度tc＝740℃，迭代阈值＝3℃，计算热处理温度场仿真模型中第一焊缝21、第二焊缝22和第三焊缝23处检测单元的温度t1、t1、t3的温度为t1＝t2＝680℃，t3＝700℃。
41.设置迭代退出条件|t
1-tc|《t，|t
2-tc|《t，|t
3-tc|《t，接下来进行迭代计算：第一步，判断第一焊缝的温度条件，当|t
1-tc|》t，对h1进行数值迭代调整直至|t
1-tc|《t；当|t
1-tc|《t，进入第二步；第二步，当|t
2-tc|》t，对h2进行数值迭代调整直至|t
2-tc|《t；当|t
2-tc|《t，进入第三步；第三步，当
42.|t
3-tc|》t，对h3进行数值迭代调整直至|t
3-tc|《t；当|t
3-tc|》t，判断是否同时满足|t
1-tc|《t和|t
2-tc|《t，若是，则确定当前的加热器接触面宽度h*1、h*2、h*3为最终宽度；
否则返回第一步继续迭代。具体地，数值迭代调整通过二分法进行：以第一焊缝21为例，当t
1-tc》t时取h
1(2)
＝0.5h1，当t
1-tc《-t时取h
1(2)
＝3h1，将h
1(2)
代入热处理温度场仿真模型计算得到热输入面宽度调整后的温度t
1(2)
；当|t
1(2)-tc|》t，令h
1c
＝(h1+h
1(2)
)/2，代入模型计算得到新的温度t
1c
；检验|t
1c-tc|《t是否成立，若否，判断(t
1-tc)(t
1c-tc)的符号，当(t
1-tc)(t
1c-tc)》0时令h1＝h
1(2)
，当(t
1-tc)(t
1c-tc)《0时令h
1(2)
＝h
1c
，并迭代计算新的h
1c
，直至满足|t
1c-tc|《t，此时的h
1c
即为满足迭代退出条件的热输入面宽度；每一次迭代计算中h1、h2、h3可以采用相同的方式进行数值迭代调整。
43.重复上述迭代计算过程，直至计算得到h*1、h*2、h*3的数值，其中h*1＝h*2＝362mm，h*3＝204mm。
44.应当理解，在一些实施例中，由于具体模型尺寸的差异，或初始条件设置不够合理，可能出现迭代计算过程收敛过慢或不能收敛的情况，在这种情况下可以采用移动模拟计算中加热器与管道的接触面的位置，例如将加热器30的接触面向三通管10的远端移动，具体地如将加热第一焊缝21的加热器30整体沿箭头a方向移动，从而使加热器30以非对称的方式覆盖于第一焊缝21上进行加热，降低相邻加热器30之间的相互影响，通过这样的形式来对模型进行优化。
45.最后根据上述模拟计算结果，对三通管10进行焊后热处理，设置加热速度在5500/d℃/h以上且不超过220℃/h，具体为102℃/h；冷却速度在7000/d℃/h以上且不超过280℃/h，具体为130℃/h，其中d取三通管10中主管11、主管12、支管13中管壁最厚的数值。按照模拟计算结果，在第一焊缝21、第二焊缝22、第三焊缝23上设置加热器，其中第一焊缝21、第二焊缝22两侧加热宽度分别为181mm即h1＝h2＝362mm，第三焊缝23两侧加热宽度为102mm即h3＝204mm，将电阻丝按照设计宽度缠绕覆盖在三通管10各焊缝所在位置，同时在焊缝所在位置分别设置感温热电偶31进行温度检测，最后在外侧覆盖隔热棉(未示出)进行加热。
46.采用上述方法，该三通管10焊缝热处理共用时6h，热处理过程中第一焊缝21、第二焊缝22实际温度为742℃，第三焊缝23实际温度为739℃。
47.在对比例中，采用三条焊缝逐一加热的方式进行热处理：在第一焊缝21、第二焊缝22处设置相对焊缝对称的宽度为324mm宽的加热面，在第三焊缝23处设置相对焊缝宽度对称的174mm宽的加热面，采用相同的加热与冷却速度分别对三条焊缝进行加热，经检测，热处理过程中第一焊缝21实际温度744℃，第二焊缝22实际温度741℃，第三焊缝23实际温度734℃，其中第一焊缝21、第二焊缝22热处理各用时6h，第三焊缝23热处理用时3h，共计用时15h，较实施例相比用时增加了150％。同时，由于热处理过程中管道的热传导，在一条焊缝进行热处理时另外两条焊缝处的温度达到甚至超过500℃，存在过时效导致焊缝组织性能衰退的风险。
48.上述实施例的目的在于结合附图对本发明作出进一步的详细说明，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思。在本发明权利要求的范围内，对所涉及的零件结构或方法步骤进行优化或等效替换，以及在不发生结构与原理冲突的前提下对不同实施例中的实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种三通管接头焊后热处理方法，提供三通管和加热器，所述三通管上设置有第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝，其特征在于，包括以下步骤：建立所述三通管的有限元模型；设定所述第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝的热量输入条件q1、q2和q3，设定所述三通管热传导的边界条件，建立所述三通管的热处理温度场仿真模型；给定目标加热温度t
c
和迭代阈值t，利用所述热处理温度场仿真模型计算平衡状态下所述第一焊缝的温度t1、所述第二焊缝的温度t2和所述第三焊缝的温度t3；设置迭代退出条件|t
1-t
c
|<t，|t
2-t
c
|<t，|t
3-t
c
|<t，以q1、q
2,
、q3的数值作为变量进行逐一迭代计算，获得满足所述迭代退出条件的热量输入条件q*1、q*2、q*3；在所述第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝上布置加热器并以q*1、q*2、q*3热量输入条件进行同步加热。2.根据权利要求1所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述迭代计算的方法包括以下步骤：i.当|t
1-t
c
|>t，对q1进行数值迭代调整直至|t
1-t
c
|<t；当|t
1-t
c
|<t，进入步骤ii；ii.当|t
2-t
c
|>t，对q2进行数值迭代调整直至|t
2-t
c
|<t；当|t
2-t
c
|<t，进入步骤iii；iii.当|t
3-t
c
|>t，对q3进行数值迭代调整直至|t
3-t
c
|<t；当|t
3-t
c
|>t，判断是否同时满足|t
1-t
c
|<t和|t
2-t
c
|<t，若是，则确定当前的热量输入条件为q*1、q*2、q*3；否则返回步骤i继续迭代。3.根据权利要求2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述数值迭代调整采用二分法迭代。4.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述热量输入条件通过调整所述加热器在所述第一焊缝所在区域的覆盖宽度h1、在所述第二焊缝所在区域的覆盖宽度h2和在所述第三焊缝所在区域的覆盖宽度h3实现。5.根据权利要求4所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，进行迭代计算时，起始热量输入条件中h1、h2、h3的数值分别为所在区域管壁厚度的3倍。6.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述有限元模型配置为1:1比例模型，所述有限元模型网格划分单元类型为二阶20节点六面体传热单元。7.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，tc为740℃-780℃，t<3℃。8.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，加热速度设置为5500/d℃/h以上且不超过220℃/h，冷却速度设置为7000/d℃/h以上且不超过280℃/h，其中d为以mm为单位计的管壁厚度。9.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述加热器包括热电偶与保温结构，在加热时环绕包覆于所述三通管上。10.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，还包括对所述热处理温度场仿真模型的热输入位置进行调整的步骤。11.根据权利要求1或2所述的三通管接头焊后热处理方法，其特征在于，所述三通管采用马氏体钢制造。

技术总结
一种三通管接头焊后热处理方法，提供具有第一焊缝、第二焊缝和第三焊缝的三通管，首先建立三通管的有限元模型，设置三通焊缝热量输入条件q1、q2和q3以及边界条件建立热处理温度场仿真模型，以热输入条件q1、q2和q3为变量对三条焊缝位置的温度逐一进行迭代计算，直至计算出符合预设技术条件的热量输入条件q*1、q*2、q*3；在焊缝上布置加热器并按照热量输入条件q*1、q*2、q*3进行热处理。本方法能够对三通管上的焊缝进行同步加热，节约作业工时并降低长时间热处理对焊缝性能造成的热损伤。间热处理对焊缝性能造成的热损伤。间热处理对焊缝性能造成的热损伤。


技术研发人员：刘三云 卢胜中 苏军 董培科 路相军 黄小亮
受保护的技术使用者：中国核工业第五建设有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/9