承压设备焊后热处理热工计算方法V2

3.3 局部焊后热处理的热工计算 局部焊后热处理的热 计算
加热带宽度内筒体金属吸收的热量Q1
Q1 mv (Cpv1 T1 Cpv 0T0 )
隔热区筒体金属吸收的热量Q10
Q10 2 (0.6 T1 T0 ) Cpv v (( R H ) 2 R 2 ) BG
炉衬材料吸收的热量Q7
Q7 (m1 Cp1 m2 Cp2 ) 0.59 (T1 Tmid )
Cpn —— 第n层炉衬材料的比热，kJ/kg·℃； mn —— 第n层炉衬材料的质量，kg； Tmid —— 加热一段时间炉衬材料之间的温度，℃；
3.2 炉内整体焊后热处理的热平衡计算
T T0 Q3 S t H th 1 th k
或
k ( T out T 0 ) S t
k —— 换热系数，W/m2·℃； λth —— 绝热材料导热系数，W/m·℃； S —— 绝热材料外表面散热面积， 绝热材料外表面散热面积 m2；Hth —— 绝热材料厚度， 绝热材料厚度 m； Tout —— 绝热材料外表面的温度，℃； t —— 从室温加热到T1时的时间，h；
βb
9.5 13 5 13.5 17 19.8 23 2 23.2 27.8 27
Q6 b QL Vn
βb —— 烟气带走热量的百分率
3.2 炉内整体焊后热处理的热平衡计算
炉内整体焊后热处理的热工计算方法
热处理过程中所需的总热量由下式计算：
Q Q Q
1
7
Q8 Q9
绝热材料蓄热损失Q2
Q2 mth Cp C th (T1 T0 )
mth —— 绝热材料的质量，kg； Cpth —— 绝热材料的比热，kJ/kg·℃； T′ ——加热一段时间后绝热材料的平均温度，℃；
3.1 内燃式焊后热处理的热工计算 内燃式焊后热处理的热 计算
绝热材料外表面散失的热量Q3
内燃式焊后整体热处理
分 类
炉内焊后整体热处理
局部热处理
上筒体与锥体焊缝
下封头与管板焊缝
1.2 理论计算的适用范围

内 式焊 整 内燃式焊后整体热处理 处理 炉内焊后整体热处理 焊后局部热处理
其中， 焊后局部热处理过程的理论分析适合应用于一些结构简单， 焊缝两侧筒体壁厚相差不大的情况。
焊缝
管－管对接的焊后局部热处理
4 热工计算实例 热 计算实例
材料属性 16MnDR高温物理性能及换热系数 高温物 性能及换热系数
温度 ℃ 25 100 200 300 400 500 600 密度 kg/m3 7800 7800 7800 7800 7800 7800 7800 比热 kJ/kg·℃ 0.380 0.420 0 460 0.460 0.480 0.560 0 660 0.660 0.840 热导率 W/m·℃ 39.2 38.6 38 2 38.2 37.5 36.5 35 8 35.8 35.0 换热系数 W/m2·℃ 15 16 18 22 23 24 25
承压设备焊后热处理热 计算方法 承压设备焊后热处理热工计算方法
上海交通大学 陆 皓
E il l h @ jt Email:luhao@ d
目
录
1
引言
分类
适用范围
2 3 4 5
换热系数 热工计算流程 热工计算实例 热 计算实例 基于有限元法的热传导分析
1.1 热处理分类
根据以上分析，则局部热处理过程中的总热量应包括：
Q Q Q
1
10
Q11 Q12 Q13 Q14 Q9
Q1 —— 金属材料受热吸收的热量，kJ； Q10 ——隔热区筒体金属受热吸收的热量，kJ； Q11 ——加热宽度内绝热材料的蓄热，kJ； Q12 ——加热宽度内绝热材料的散热，kJ； Q13 ——隔热区绝热材料的蓄热，kJ； Q14 ——隔热区绝热材料的散热， 隔热区绝热材料的散热 kJ； Q9 ——其它热量损失，kJ；
其中,隔热区宽度
BG
2 T1 T0 ( thold ) v vCpv
加热带宽度内绝热材料的蓄热Q11
Q11 ( ( R H H th ) 2 ( R H ) 2 ) B th Cp C th (T1 T0 )
3.3 局部焊后热处理的热工计算 局部焊后热处理的热 计算
T 1 T 0 2 S t 1 th H th th k h
隔热区绝热材料的散热Q14
Q 14
其它热量的损失Q9
4 热工计算实例
以局部焊后热处理的热工计算为例
以下图所示结构的局部焊后热处理为例来计算热处理过程中的热平衡。 对于前2种方法的热平衡计算，可以参考以下文献。
计算公式：
q (t ) k T
q (t ) a(t ) (Tw Tc )
牛顿冷却定律

有限元法法—换热系数与温度关系：
非线性瞬态热传导问题的微分方程为:
c
T T T T (k ) (k ) (k )Q t x x y y z z
Q
式中：ρ、c分别为材料的密度和比热；k为导热系数，
T1
3.1 内燃式焊后热处理的热 内燃式焊后热处理的热工计算 计算
金属材料受热吸收的热量Q1
Q1 mv (Cpv1 T1 Cpv 0T0 )
mv —— 加热宽度内筒体的质量，kg； ρv —— 筒体材料的密度，kg /m3； Cpv1 J/kg·℃； 1 —— 温度为T1时筒体材料的比热，kJ/kg Cpv0 —— 温度为T0时筒体材料的比热，kJ/kg·℃； T0 —— 环境温度，℃； T1 —— 加热 加热一段时间后筒体的温度， 段时间后筒体的 度 ℃；
Q1 —— 金属材料受热吸收的热量，kJ； Q7 ——炉衬材料吸收的热量，kJ； Q8 ——炉体外表面散失的热量，kJ； Q9 ——其它热量损失，kJ；
3.2 炉内整体焊后热处理的热平衡计算
炉内整体焊后热处理的热工计算方法 筒体材料受热吸收的热量Q1
Q1 mv (Cpv1 T1 Cpv 0T0 )
燃料化学未完全燃烧的热损失 燃料机械未完全燃烧的热损失 烟气带走的热量 加热设备带走的热量
损失的热量 吸收的热量
3.1 内燃式焊后热处理的热工计算 内燃式焊后热处理的热 计算
下面针对前面介绍的三种不同的热处理方式，分别介绍 热处理过程中的热工计算方法。 热处理过程中的热工计算方法 内燃式焊后热处理的热工计算方法
燃料化学未完全燃烧热损失Q4
Q 4 0 . 0553 Q h V n
Qh —— 燃料高位热值，通常取Qh=44 480kJ/kg； α —— 过剩空气系数， 过剩空气系数 α=1.1 =1 1； Vn —— 每个温度区间的燃料消耗量，kg/h；
3.1 内燃式焊后热处理的热工计算 内燃式焊后热处理的热 计算
炉体外表面散失的热量Q8
Q8 k (Tout T0 ) S t
k —— 换热系数，W/m2·℃； S —— 绝热材料外表面散热面积，m2； Tout —— 绝热材料外表面的温度，℃； t —— 从室温加热到T1时的时间，h；
其它热量损失Q9 考虑加热器本身等的发热损失，按总热量损失的 20~25%计算。
3.3 局部焊后热处理的热工计算 局部焊后热处理的热 计算
局部焊后热处理的热工计算
温度分布是热平衡理论计算的基础，局部热处理过程中典型的温度 分布如下所示：
热处 热处理工艺 艺
Holding temperature 温度分布图 隔热区 加热区 隔热区
3.3 局部焊后热处理的热工计算 局部焊后热处理的热 计算
管－板对接的焊后局部热处理
(a) 适用
(b) 不适用
2 换热系数
换热系数表征了固体表面与流体之间热交换的能力。换热系数的大小 决定了热处理过程中热量散失的多少。

影响因素
1、介质：介质种类、温度、流动状态等 介质 介质种类 温度 流动状态等 2、工件：形状、尺寸、表面状况、材质等 3 测量：测量方法及测量位置 3、测量：测量方法及测量位置

测量方法 1、实验法：利用实验对特定环境下对流换热系数进行测量，
并总结出对流换热系数的分布规律。
2、解析法：应用传热模型，得出解析公式 3、试凑法：依赖经验 4、反求法：通过建立对流换热的反问题模型，避开对流换热中的复杂
影响因素的干扰，以有限元法为基础来求解。
2 换热系数

实验法—换热系数与温度关系：
通常，为了计算结果的准确性，计算时，将温度区间分为： 通常 为了计算结果的准确性 计算时 将温度区间分为： 室温T0～T1（100℃），T1（100℃）～T2（200℃）， T2（200℃）～T3（300℃），T3（300℃） T3（300℃） T3（300℃）～T4（400℃）， T4（400℃） T4（400℃）～T5（500℃），T5（500℃）～T6（600℃）， 以及保温阶段T6/2h 具体的计算步骤如下： 以及保温阶段T6/2h，具体的计算步骤如下：
燃料机械未完全燃烧热损失Q5
Q5 K QL Vn
QL —— 燃料低位热值，通常取QL=41 860kJ/kg； K —— 机械不完全燃烧损失率，通常取 燃 K=0.025； Vn —— 每个温度区间的燃料消耗量，kg/h；
烟气带走的热损失Q6
温度区间
室温-100℃ 100 200 100-200 200-300 300-400 400 500 400-500 500-600 600±25
热处理过程中所需的总热量由下式计算：
Q Q Q
1
2
Hale Waihona Puke Q3 Q4 Q5 Q6