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摘要：由于大型球罐在企事业单位的普遍应用，基于消除对球罐焊接后产生破坏性应力，本文从球罐热处理的原理及要点，利用数值分析对球罐加装导流装置前后的热处理效果进行比较分析，确定大型球罐整体热处理的增效方法。
关键词：大型球罐 热处理 数值分析 导流装置
引言
随着化工产业的发展，大型球罐的需用量也随之增大。然而大型球罐焊接完成后焊缝留有焊接残余应力，有的可达到材料屈服极限，危害极大。为此大型球罐通常在焊后进行整体热处理[1]以稳定结构尺寸改善焊缝、热影响区的组织，使淬火组织软化，从而改善焊接接头的性能，降低硬度、提髙塑性、断裂韧度及疲劳强度。
工程中，球罐进行整体热处理时，壁面最大温差须控制在一定范围内。目前对体积> 2000m?的球罐采用内部燃烧加热整体热处理很难达到工艺要求。文献[2]研究表明，在球罐采用整体热处理时，髙温燃烧产物中的一部分直接由下人孔沿球罐中心轴对称从上人孔排出，对球罐壁面的传热几乎没有作贡献；而另一部分沿中心轴到达上人孔附近后，再沿球罐内壁向下人孔方向流动，同时与壁面发生热交换使壁面温度升高，并损失部分热量，使其向球罐下部流动时与罐壁面的热交换量逐步减少，导致球罐壁面温度从上向下依次降低，从而产生壁面温差。对体积较大的球罐，上述热处理方法会使其壁面最大温差加大而超过工艺要求的范围。由此可知，要尽可能消除壁而温差，需加强罐内燃烧产物的循环以及与球罐壁面的对流传热过程，并尽可能降低燃烧产物的直接排出。通过在球罐内部添加导流板等装置以增加燃烧气流在罐内回转的强度形成良好循环，并使回转气流与壁而发生尽可能多的热量交换减小能量损失，从而降低壁面温差提髙热效率。
一、改进方法
在文献[2]的基础上，改进球罐内部喷射燃烧整体热处理，用计算流体力学模型对其内部流场结构进行数值模拟，结果表明，热流控制装置是热处理成功的关键。温控装置的使用避免了通常情况下整体现场热处理球体上部温度高于下部温度的难点。使热流沿球壳表面真正弧形流动是大型球罐现场整体热处理中各处温度受控的关键。在有、无导流板的条件下对球罐整体热处理内部流场分别进行分析发现，由于导流板的安装， 使得球罐内部气流循环得到加强，球罐上、下内壁面温差及局部壁面温度梯度都有所降低，从而提高了球罐整体热处理质量，满足热处理的工艺要求。
针对上述物理现象，以均相湍流流动模型为基础，并用湍流燃烧模型-旋祸耗散模型来封闭上述方程组。球罐壁面附近的流场用标准壁面函数处理，方程组用SIMPLE格式求解。
二、实例计算
以体积为2000m3的球罐加装导流板为例，假设球罐内部燃烧过程为定常过程。由于热处理过程中，整个球罐几何结构呈中心轴对称，因此可取其一半来计算求解。
球罐内部燃烧时的初始、边界条件如下：球罐上下人孔直径为0.5m，下人孔中心轴处燃料喷嘴直径为0.055m，其轴向喷射速度为40m/s。空气从球罐下方由鼓风机送入，其进口速度为4m/s。上人孔与外界相通。导流板呈圆形，其半径为2m，安装在沿中心轴距下人孔3.0m处。球罐壁面为无滲透绝热壁。喷嘴初始点火温度为1800℃。加裝导流板后，球罐内部燃烧热处理过程的二维数值模拟结果如下。
图1、2与图3分别为罐内速度矢量、流函数与轴向速度的等值线分布图。由图1与图2淸楚可知，燃料与空气经下人孔在喷嘴上方附近燃烧后，其高温燃烧产物沿中心轴线向上传播，碰到导流板后，其速度方向则变成径向沿导流板向球罐两侧运动，遇球罐内壁后一小部分燃烧产物沿壁向下人孔方向运动，并在喷 嘴与新的燃烧产物汇合，在导流板下方与中心轴线两旁形成两对称旋涡：而大部分燃烧产物遇壁后沿罐内壁向上人孔方向运动，其中一部分经上人孔直接排出，另一部分则沿中心轴线向下流动，在导流板上方与中心轴线两旁形成两个较大的对称旋涡。同时由图 3可知，在下人孔喷嘴上方附近及上人孔与导流板相邻的球罐两侧附近燃烧产物的轴向速度较大。与文献 [2]相比可知，由于加装导流板使燃烧产物在罐内的流动循环得到加强，避免了部分高温燃烧产物沿球罐中心轴线直接排出罐外，从而提髙了髙温燃烧产物与球罐壁面之间的传热以及燃料的利用率。
图4为球罐加装导流板前后，在热处理过程中，球罐壁面的温度分布对比。加装导流板后，整个球罐上下壁面（不含上下人孔）之间的温差变小，相差12℃左右，完全满足大型球罐整体热处理对壁面最大温差控制在20℃内的工艺艺要求。同时下人孔与导流板之间的球罐壁面的温度也得到明显提升，避免了长期以来球罐整体热处理过程中，其下部壁面温度偏低的现象。此外，由数值模拟还知，导流板安装位置对于球罐下部壁面的温度影响较大。若其安裝位置偏低或偏髙，则可使球罐下部温度分别过高或过低，其安装位置的数值优化将是进—步研究的重点。
图5为热处理时，球罐内部等温线分布的数值结果。球罐在整体热处理过程中，燃枓喷嘴上方至导流板下方附近处为燃烧区，在此区域附近等温线最密，温度梯度最大：球罐导流板下方中心轴两侧的旋涡附近，其等温线较稀：而罐内导流板上方中心轴两侧旋涡附近，等温线分布最稀，该处温度相差很小。同时，综合图4可知，罐内壁面温度分布基本循从与导流板相邻的球罐壁而分别向上、下两个方向侬次降低的规律。这主要是由于加装导流板后，燃烧产物在罐内的循环流动发生改变，燃烧产物经导流板与壁面相碰后，分别沿壁面向上、下两个方向流动（图1），并与壁面发生热交换，损失部分热量，使其沿球罐分别向上、下流动时与壁面的热交换量逐步减少，导致相应壁面温度依次降低。
三、结论
对大型球罐在加装导流板后进行内部喷射燃烧整体热处理现象进行了数值模拟，结果显示由于导流板的安装，加强了燃烧产物在球罐内部的循坏，并分别在导流板上、下两侧沿球罐中心轴线分别形成对称涡旋，同时还进一步揭示了罐内壁面温度在与导流板相邻的球罐壁面附近沿壁面分别向上、下两个方向依次降低的分布规律，同时计算结果显示球罐壁面最大温差较无导流板的情况有所降低，说明加装导流板后，温度场更加均匀，有利于提髙大型球罐整体热处理质量。
参考文献
[1]吕毅南.球罐焊后整体热处理[J].江北化工，1999.27 （5）：29-31.
[2]陈志华，涂善东，王正东.大型球罐整体热处理的数值模拟[J].石油化工设备，2003，32（6）： 20-20
关键词：大型球罐 热处理 数值分析 导流装置
引言
随着化工产业的发展，大型球罐的需用量也随之增大。然而大型球罐焊接完成后焊缝留有焊接残余应力，有的可达到材料屈服极限，危害极大。为此大型球罐通常在焊后进行整体热处理[1]以稳定结构尺寸改善焊缝、热影响区的组织，使淬火组织软化，从而改善焊接接头的性能，降低硬度、提髙塑性、断裂韧度及疲劳强度。
工程中，球罐进行整体热处理时，壁面最大温差须控制在一定范围内。目前对体积> 2000m?的球罐采用内部燃烧加热整体热处理很难达到工艺要求。文献[2]研究表明，在球罐采用整体热处理时，髙温燃烧产物中的一部分直接由下人孔沿球罐中心轴对称从上人孔排出，对球罐壁面的传热几乎没有作贡献；而另一部分沿中心轴到达上人孔附近后，再沿球罐内壁向下人孔方向流动，同时与壁面发生热交换使壁面温度升高，并损失部分热量，使其向球罐下部流动时与罐壁面的热交换量逐步减少，导致球罐壁面温度从上向下依次降低，从而产生壁面温差。对体积较大的球罐，上述热处理方法会使其壁面最大温差加大而超过工艺要求的范围。由此可知，要尽可能消除壁而温差，需加强罐内燃烧产物的循环以及与球罐壁面的对流传热过程，并尽可能降低燃烧产物的直接排出。通过在球罐内部添加导流板等装置以增加燃烧气流在罐内回转的强度形成良好循环，并使回转气流与壁而发生尽可能多的热量交换减小能量损失，从而降低壁面温差提髙热效率。
一、改进方法
在文献[2]的基础上，改进球罐内部喷射燃烧整体热处理，用计算流体力学模型对其内部流场结构进行数值模拟，结果表明，热流控制装置是热处理成功的关键。温控装置的使用避免了通常情况下整体现场热处理球体上部温度高于下部温度的难点。使热流沿球壳表面真正弧形流动是大型球罐现场整体热处理中各处温度受控的关键。在有、无导流板的条件下对球罐整体热处理内部流场分别进行分析发现，由于导流板的安装， 使得球罐内部气流循环得到加强，球罐上、下内壁面温差及局部壁面温度梯度都有所降低，从而提高了球罐整体热处理质量，满足热处理的工艺要求。
针对上述物理现象，以均相湍流流动模型为基础，并用湍流燃烧模型-旋祸耗散模型来封闭上述方程组。球罐壁面附近的流场用标准壁面函数处理，方程组用SIMPLE格式求解。
二、实例计算
以体积为2000m3的球罐加装导流板为例，假设球罐内部燃烧过程为定常过程。由于热处理过程中，整个球罐几何结构呈中心轴对称，因此可取其一半来计算求解。
球罐内部燃烧时的初始、边界条件如下：球罐上下人孔直径为0.5m，下人孔中心轴处燃料喷嘴直径为0.055m，其轴向喷射速度为40m/s。空气从球罐下方由鼓风机送入，其进口速度为4m/s。上人孔与外界相通。导流板呈圆形，其半径为2m，安装在沿中心轴距下人孔3.0m处。球罐壁面为无滲透绝热壁。喷嘴初始点火温度为1800℃。加裝导流板后，球罐内部燃烧热处理过程的二维数值模拟结果如下。
图1、2与图3分别为罐内速度矢量、流函数与轴向速度的等值线分布图。由图1与图2淸楚可知，燃料与空气经下人孔在喷嘴上方附近燃烧后，其高温燃烧产物沿中心轴线向上传播，碰到导流板后，其速度方向则变成径向沿导流板向球罐两侧运动，遇球罐内壁后一小部分燃烧产物沿壁向下人孔方向运动，并在喷 嘴与新的燃烧产物汇合，在导流板下方与中心轴线两旁形成两对称旋涡：而大部分燃烧产物遇壁后沿罐内壁向上人孔方向运动，其中一部分经上人孔直接排出，另一部分则沿中心轴线向下流动，在导流板上方与中心轴线两旁形成两个较大的对称旋涡。同时由图 3可知，在下人孔喷嘴上方附近及上人孔与导流板相邻的球罐两侧附近燃烧产物的轴向速度较大。与文献 [2]相比可知，由于加装导流板使燃烧产物在罐内的流动循环得到加强，避免了部分高温燃烧产物沿球罐中心轴线直接排出罐外，从而提髙了髙温燃烧产物与球罐壁面之间的传热以及燃料的利用率。
图4为球罐加装导流板前后，在热处理过程中，球罐壁面的温度分布对比。加装导流板后，整个球罐上下壁面（不含上下人孔）之间的温差变小，相差12℃左右，完全满足大型球罐整体热处理对壁面最大温差控制在20℃内的工艺艺要求。同时下人孔与导流板之间的球罐壁面的温度也得到明显提升，避免了长期以来球罐整体热处理过程中，其下部壁面温度偏低的现象。此外，由数值模拟还知，导流板安装位置对于球罐下部壁面的温度影响较大。若其安裝位置偏低或偏髙，则可使球罐下部温度分别过高或过低，其安装位置的数值优化将是进—步研究的重点。
图5为热处理时，球罐内部等温线分布的数值结果。球罐在整体热处理过程中，燃枓喷嘴上方至导流板下方附近处为燃烧区，在此区域附近等温线最密，温度梯度最大：球罐导流板下方中心轴两侧的旋涡附近，其等温线较稀：而罐内导流板上方中心轴两侧旋涡附近，等温线分布最稀，该处温度相差很小。同时，综合图4可知，罐内壁面温度分布基本循从与导流板相邻的球罐壁而分别向上、下两个方向侬次降低的规律。这主要是由于加装导流板后，燃烧产物在罐内的循环流动发生改变，燃烧产物经导流板与壁面相碰后，分别沿壁面向上、下两个方向流动（图1），并与壁面发生热交换，损失部分热量，使其沿球罐分别向上、下流动时与壁面的热交换量逐步减少，导致相应壁面温度依次降低。
三、结论
对大型球罐在加装导流板后进行内部喷射燃烧整体热处理现象进行了数值模拟，结果显示由于导流板的安装，加强了燃烧产物在球罐内部的循坏，并分别在导流板上、下两侧沿球罐中心轴线分别形成对称涡旋，同时还进一步揭示了罐内壁面温度在与导流板相邻的球罐壁面附近沿壁面分别向上、下两个方向依次降低的分布规律，同时计算结果显示球罐壁面最大温差较无导流板的情况有所降低，说明加装导流板后，温度场更加均匀，有利于提髙大型球罐整体热处理质量。
参考文献
[1]吕毅南.球罐焊后整体热处理[J].江北化工，1999.27 （5）：29-31.
[2]陈志华，涂善东，王正东.大型球罐整体热处理的数值模拟[J].石油化工设备，2003，32（6）： 20-20