[发明专利]管线钢落锤撕裂试样气体介质冷却方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种管线钢落锤撕裂试样在气体介质条件下加热、冷却的保温时间。

背景技术

在进行管线钢落锤试验时，试样温度是一个重要的控制参数。只有在恰当的试验温度条件下进行试验，才能得到可靠的试验数据。

试样在液体介质中的冷却制度，现有的标准中都有规定，但由于试验条件等原因，试样往往需要在气体介质条件下如冰箱中进行冷却，而气体介质条件下的具体要求在ASTM、API和国内的相关标准中都没有涉及。为扩大冷却介质的选择范围，在计算分析的基础上，对气体介质条件下的保温时间进行明确的要求和规定有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的是给出了初始状态处于室温条件下(25℃)的不同壁厚的试样在气体介质中的加热、冷却保温时间。

为了保证气体介质条件下试样达到加热、冷却目标温度，本发明采用的技术方案如下：

加热、冷却环境应是密闭的容器，容器内应采取措施，使容器内所有有效空间的温度与试验目标温度相差不超过±1℃。将温度是室温(25℃)的试样放入这一密闭的容器内，最短的保温时间应按照表1的规定。

表1试样在气体介质中最短的保持时间

本发明的有益效果如下：

确保管线钢落锤试验的试样达到试样所需的目标温度，保证了试验数据的准确与可靠；另外，为编制落锤试验标准提供理论依据。

附图说明

图1试样冷却保温过程示意图

图2试样冷却保温曲线示意图

图3试样几何形状与尺寸示意图

图4三维网格划分示意图

图512.7mm试样强制对流芯部温度变化曲线

图625.4mm试样强制对流芯部温度变化曲线

图738.1mm试样强制对流芯部温度变化曲线

图812.7mm试样自然对流芯部温度变化曲线

图925.4mm试样自然对流芯部温度变化曲线

图1038.1mm试样自然对流芯部温度变化曲线

具体实施方式

1、物理问题描述与数学模型

1.1物理问题描述

试样冷却保温过程如图1所示。为了进行管线钢落锤撕裂试验，将处于25℃室温条件下的不同壁厚试样分别放入-20℃的冰箱中，冰箱内布置有搅拌装置，以将试样表面与周围介质的换热方式由自然对流转变为强制对流，增大换热系数h，加快试样冷却和保温速度。同时使得冰箱内介质温度场趋于均匀。

在冰箱中布置有热电偶测温装置。当试样放入时，由于试样温度比周围介质温度高，试样放出热量，使得介质温度升高。当热电偶测得的介质温度高于设定值时，制冷装置开始工作，通过蒸发器将介质热量带走，以降低空气的温度。与此同时，试样和介质之间由于存在温差，继续进行换热。当气体介质的温度又稳定到-20±1℃时，这一过程称为冷却过程；从介质达到-20±1℃开始，试样继续冷热交换，直至芯部温度达到-20±1℃并保持不变时，这一过程称为介质到温保温过程。冷却和介质到温保温过程所用时间之和称为总的保温时间，如图2所示。此时试样温度参数即可认为达到了落锤试验的要求。目前实际的试验操作就是控制总的保温时间，但是，即使加热和冷却设备的能力很大，因试样数量在一定程度上影响放入这一过程热量的流转和介质重新回到目标温度的时间，所以控制介质到温的保温时间应该更精确、更合理，所以，本专利不仅给出总的保温时间，也提供了介质到温保温时间。表2为空气的热物理性质参数。

表2空气热物理性质

1.2数学模型

由于实际的管线钢试样冷却保温过程非常复杂，不仅与制冷装置的性能密切相关，而且与搅拌装置的数量与性能以及环境温度等都有很大的关系。为了简化实际问题，使得计算可行，在建立试样冷却保温过程的三维瞬态温度场数学模型时，做以下假设：

(1)冰箱中布置有风扇，认为其中的介质温度处处相等。

(2)假设冰箱具有足够的制冷量，不考虑制冷系统对试样冷却保温过程的影响。

(3)假设试样各表面具有相同的换热系数。

管线钢落锤撕裂试样为长方体，试样长度l为305mm，高度h为76mm，厚度b分别为12.7mm、25.4mm、38.1mm，图3为试样几何形状与尺寸示意图。

图3中，T_c为试样芯部亦即试样中心点处的温度，T_w为试样壁面(ABCD面)中心处的温度，T_s为试样尖点亦即A点处的温度。