不同流速下AP1000主管道淬火过程温度场的有限元模拟
发布时间：2021-08-18 06:19
利用ANSYS有限元软件建立了AP1000核电主管道三维有限元网格模型,根据反传热法计算了0.3、0.5、0.7和1.0 m/s四种不同水流速下316LN不锈钢的表面换热系数,对其淬火过程的温度场进行了模拟,初步探讨了西屋公司提出的180 s冷却至427℃以下的可能性。结果表明:水流流速由0.3 m/s提高到1.0 m/s时,316LN不锈钢的表面换热系数仅由3013 W/（m2·℃）增加至3560 W/（m2·℃）。不同流速下,主管道表面和心部温度均随淬火时间的延长而降低。1.0 m/s流速下,主管道内、外表面温度下降非常快,淬火180 s时温度已降至200℃以下,600 s时已冷却至室温。而主管道管壁中心（壁厚为83 mm）及接管嘴凸台中心部位温度下降较慢,淬火180 s时温度分别在580℃和860℃左右,未能满足西屋公司提出的180 s冷却至427℃以下的要求,淬火530 s左右主管道各部位才能都冷到427℃以下。
【文章来源】：金属热处理. 2020,45(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
主管道示意图
根据图4测得的冷却曲线结合反传热法综合计算得到了不同流速下316LN不锈钢试样的表面换热系数，如图5所示。可见，不同流速下的换热系数变化规律相似，由高温到低温均出现了先缓慢增加后快速增加再减小的3个阶段[10-12]，即:淬火开始时高温区冷却缓慢的阶段I，称为膜沸腾阶段;随后中温区冷却速率加快的阶段II，称为核沸腾阶段;最后低温区冷却速率降低的阶段III，称为对流冷却阶段。不同流速下换热系数的最大值所对应的温度均在200℃左右，表面换热系数在(3～4)×103W/(m2·℃)。该值仅为6061铝合金的1/7[11]、42CrMo钢的1/2[12]。0.3、0.5、0.7和1.0 m/s 4种流速所对应的换热系数最大值分别约3013、3112、3265和3560 W/(m2·℃)。316LN不锈钢换热系数远小于其他合金的原因与该材料本身热导率低有关。图5 不同流速下316LN不锈钢试样的表面换热系数
AP1000核电主管道尺寸巨大，为节约运算时间，建模时把主管道简化为对称结构，有限元网格模型如图2所示。采用三维六面体网格，分析单元选用8节点SOLID70热结构单元进行主管道淬火过程的温度场有限元模拟。此外，还对AP1000核电主管道的淬火过程予以简化，设定淬火过程中冷却水温度恒定，并假设管道内、外壁的换热系数相同。AP1000核电主管道所用316LN不锈钢的热物理参数见表1，其热导率、比热容均随温度的变化而变化。此外，316LN不锈钢的密度为7.98×103kg/m3，热膨胀系数为2.25×10-5℃-1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]淬火介质对42CrMo钢棒淬火组织及硬度影响的数值模拟及试验验证[J]. 张文,朱百智,黄振建,王兆华. 金属热处理. 2020(01)
[2]2.25Cr1Mo钢大型锻件热处理工艺数值模拟[J]. 龚雪婷,武志广,李鑫,贾红帅. 金属热处理. 2019(03)
[3]基于计算机模拟的智能化热处理的研究进展[J]. 韩永珍,李俏,胡小丽,李枝梅,朱嘉,徐跃明. 金属热处理. 2017(07)
[4]核电主管道制造工艺发展[J]. 张磊,冯潇,李明权,王欣,林峰. 锻压技术. 2014(06)
[5]铝合金淬火过程换热系数的反求法[J]. 李凡成,李静媛. 铝加工. 2013(04)
[6]6061铝合金淬火冷却过程中的表面换热系数[J]. 温柳,刘露露,高萌,潘学著,王迎新,陈彬,王孟君. 金属热处理. 2011(10)
[7]TC21钛合金锻件淬火过程温度场及热应力场数值模拟[J]. 雷文光,毛小南,卢亚锋,侯智敏,曲恒磊,奚正平. 稀有金属材料与工程. 2011(10)
[8]大型核电主管道制造技术的发展[J]. 潘品李,钟约先,马庆贤,袁朝龙. 锻压装备与制造技术. 2011(01)
[9]AP1000核电站常规岛主要热力管道材料选择[J]. 吴家凯,陈娟. 广东电力. 2010(02)
[10]典型不锈钢晶间腐蚀敏化温度的研究[J]. 秦丽雁,张寿禄,宋诗哲. 中国腐蚀与防护学报. 2006(01)
本文编号：3349367
【文章来源】：金属热处理. 2020,45(08)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
主管道示意图
根据图4测得的冷却曲线结合反传热法综合计算得到了不同流速下316LN不锈钢试样的表面换热系数，如图5所示。可见，不同流速下的换热系数变化规律相似，由高温到低温均出现了先缓慢增加后快速增加再减小的3个阶段[10-12]，即:淬火开始时高温区冷却缓慢的阶段I，称为膜沸腾阶段;随后中温区冷却速率加快的阶段II，称为核沸腾阶段;最后低温区冷却速率降低的阶段III，称为对流冷却阶段。不同流速下换热系数的最大值所对应的温度均在200℃左右，表面换热系数在(3～4)×103W/(m2·℃)。该值仅为6061铝合金的1/7[11]、42CrMo钢的1/2[12]。0.3、0.5、0.7和1.0 m/s 4种流速所对应的换热系数最大值分别约3013、3112、3265和3560 W/(m2·℃)。316LN不锈钢换热系数远小于其他合金的原因与该材料本身热导率低有关。图5 不同流速下316LN不锈钢试样的表面换热系数
AP1000核电主管道尺寸巨大，为节约运算时间，建模时把主管道简化为对称结构，有限元网格模型如图2所示。采用三维六面体网格，分析单元选用8节点SOLID70热结构单元进行主管道淬火过程的温度场有限元模拟。此外，还对AP1000核电主管道的淬火过程予以简化，设定淬火过程中冷却水温度恒定，并假设管道内、外壁的换热系数相同。AP1000核电主管道所用316LN不锈钢的热物理参数见表1，其热导率、比热容均随温度的变化而变化。此外，316LN不锈钢的密度为7.98×103kg/m3，热膨胀系数为2.25×10-5℃-1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]淬火介质对42CrMo钢棒淬火组织及硬度影响的数值模拟及试验验证[J]. 张文,朱百智,黄振建,王兆华. 金属热处理. 2020(01)
[2]2.25Cr1Mo钢大型锻件热处理工艺数值模拟[J]. 龚雪婷,武志广,李鑫,贾红帅. 金属热处理. 2019(03)
[3]基于计算机模拟的智能化热处理的研究进展[J]. 韩永珍,李俏,胡小丽,李枝梅,朱嘉,徐跃明. 金属热处理. 2017(07)
[4]核电主管道制造工艺发展[J]. 张磊,冯潇,李明权,王欣,林峰. 锻压技术. 2014(06)
[5]铝合金淬火过程换热系数的反求法[J]. 李凡成,李静媛. 铝加工. 2013(04)
[6]6061铝合金淬火冷却过程中的表面换热系数[J]. 温柳,刘露露,高萌,潘学著,王迎新,陈彬,王孟君. 金属热处理. 2011(10)
[7]TC21钛合金锻件淬火过程温度场及热应力场数值模拟[J]. 雷文光,毛小南,卢亚锋,侯智敏,曲恒磊,奚正平. 稀有金属材料与工程. 2011(10)
[8]大型核电主管道制造技术的发展[J]. 潘品李,钟约先,马庆贤,袁朝龙. 锻压装备与制造技术. 2011(01)
[9]AP1000核电站常规岛主要热力管道材料选择[J]. 吴家凯,陈娟. 广东电力. 2010(02)
[10]典型不锈钢晶间腐蚀敏化温度的研究[J]. 秦丽雁,张寿禄,宋诗哲. 中国腐蚀与防护学报. 2006(01)
本文编号：3349367
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