高频直缝焊管动态中频感应加热过程数值分析及实验研究

摘要

目前随着油气资源勘探向边远地区、高寒地区和深海地区的发展，石油焊接管面临的工作环境日趋恶劣。为了避免发生重大损失，必须不断提高焊缝的质量，生产出高性能，高附加值的产品，以满足焊管行业日益严格的质量需求。
　　高频直缝焊管在进行高频焊接时，会形成焊接粗晶热影响区，该区域的组织性能与母材相比有很大差异，因此会严重影响焊缝质量。必须对其进行中频热处理，来改善焊缝的组织性能，降低焊缝区与母材之间的性能差异。中频热处理过程中焊缝处的温度场分布是决定焊缝质量的关键，因此探究动态感应加热过程中焊缝处的三维温度场形态是非常有必要的。
　　本文针对高频直缝焊管的中频热处理过程进行了如下内容的研究工作：
　　(1)根据高频直缝焊管中频热处理的特点，设计了一种基于ANSYS软件的对高频直缝焊管中频热处理过程进行动态仿真的模拟方法。通过感应线圈和焊管之间的相对运动，建立了将运动因素考虑在内的三维电磁-热耦合数学模型，依据该模型可以实现具有不同电流密度和电流频率的两个感应线圈同时对焊缝进行感应加热；探究了感应线圈的步进距离对焊缝处温度场的影响以及稳定温度场的评价标准。
　　(2)分别对高频直缝焊管的中频感应加热过程进行了静态和动态两种仿真，并将计算所得的温度分布进行了研究和对比分析；对中频热处理过程的电磁-热耦合过程进行了量化分析；利用MATLAB软件将最终得到的稳定温度场进行曲面拟合，探究稳态温度场的边界形态。
　　(3)通过构建横向磁通感应加热实验平台和实时测温控制系统，对直缝焊管进行横向磁通感应加热实验，然后对热影响区内六个测温点的升温曲线进行了对比分析；通过采用相同的模拟方法对实验过程进行动态仿真，并将实测数据和模拟数据进行比对，验证模拟结果的准确性；通过对实验所得温度场的分布规律进行分析，再次验证有限元计算的可靠性。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究的主要内容及意义

第2章 中频感应加热基本理论

2.1 感应加热基本原理

2.2 电磁场分析

2.3 温度场分析

2.4 有限元软件的选取

2.5 本章小结

第3章 中频感应加热数值模拟

3.1 中频感应加热有限元模型的建立

3.2 有限元模拟温度分布结果

3.3 中频感应加热过程温度场稳定性的研究

3.4 本章小结

第4章 中频感应加热过程的动态分析

4.1 中频感应加热过程的动态和静态分析

4.2 中频感应加热过程的动态仿真

4.3 感应加热过程三维稳态温度场的数值拟合

4.4本章小结

第5章 感应加热和测温实验

5.1 引言

5.2 实验前的准备工作

5.3 实验部分的数值模拟结果与实测结果对比分析

5.4 探究实验部分的温度场形态

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢