第11期 李亚欣等：石油套管淬火过程中残余应力场的数值模拟 ·1443 热分析过程中，套管初始温度设为910℃温度 上提取a和c三个节点其中a点为壁厚的中心 均匀.水淬冷却时，在套管内、外表面同时喷射25℃ 节点，点为距外表面3的节点，点为外表面节 水，并且假设内、外表面的冷却速率相同，即假设内、 点，三节点温度随时间的变化曲线如图6所示.可 外表面的对流换热系数相同.对流换热系数随套管 以看出，在冷却初期外表面温度急剧降低，中心点 表面温度的变化而变化，查阅相关文献[15]，对流 温度降低缓慢，中心点和表面温差增大，冷却到 换热系数与温度的关系见图4空冷阶段，空气对流 25附，温差最大.当冷却至7.5时（温度分布云 换热系数取常值，为56Wm2。℃- 图见图7，套管表面温度为329℃，中心点温度为 10000 433℃（该钢种的r=435℃），温差为104℃此 8000 时，中心点温度低于出水空冷不会发生贝氏体 转变，故该时刻为出水空冷的最佳时刻 6000 100 40 800 2000 7n75808.590 200 400600 800 1000 冷杠时向4 温度℃ 00 图4水淬时对流换热系数与温度的关系 Fg 4 R elat ionsh ip be ween heat transfer coe fficient and tempemture during quenching by wa ter 501520 25 30 冷却时间s 3模拟结果与分析 图6冷却过程中不同节点温度的变化曲线 F6 Temperaure curves at different nodes during quenching 3.1温度场模拟和测量值比较 将套管表面温度变化的测量结果和模拟结果进 行比较，见图5二者吻合很好，表明所建立的温度 由图6可以看出：在空冷阶段，温度较高的中心 场模型是有效的.可以用所建模型模拟套管在淬火 点开始向温度较低的表面传热，因此表面温度升高， 冷却过程中的温度场和应力场 中心点温度降低.随空冷时间延长，横断面温度趋 900r 于均匀.套管壁较薄且导热性好，断面温度短时间 8004 (约2内就达到了均匀.为保证均匀性，稍微延长 700 了空冷时间.比较冷却至7.5和13时的温度分 一模拟值 600 一测量值 布云图（图7）可以看出，通过空冷，从表面到距离表 500 面1.8mm的区域温度升高，中心点到距离表面 400 1.8m的区域温度降低，中心点和表面温差减小， 300 达到了通过空冷使其断面温度均匀化的目的 200 空冷至13后再次水冷，当冷却至14.3时，温 100 差再次达到最大为80℃此时表面温度为292℃ 0 101520 25 30 中心点温度为372℃.从图7可以看出，经过空冷 冷却时间： 后，再次水冷至143时的最大温差和7.5时的最 图5套管表面温度的测量值和模拟值比较 大温差(104℃相比降低了24℃，说明空冷起到了 Fig 5 Comparison of measured and smulated tmperamres on he 提高断面温度均匀性的作用，同时也提高了马氏体 surface of the casing 转变的同时性.此后，随冷却时间的延长，三点的温 3.2温度场分析 度均降低，但变化趋于平缓温差也逐渐减小.冷却 为研究套管在“水淬一空冷一水淬”冷却过程 到25时，三点温度近似相等，随后温度下降更加 中各部位温度随时间的变化规律，沿套管壁厚方向 平缓.第 11期 李亚欣等:石油套管淬火过程中残余应力场的数值模拟 热分析过程中, 套管初始温度设为 910 ℃, 温度 均匀.水淬冷却时, 在套管内 、外表面同时喷射25℃ 水, 并且假设内、外表面的冷却速率相同, 即假设内 、 外表面的对流换热系数相同 .对流换热系数随套管 表面温度的变化而变化, 查阅相关文献 [ 15], 对流 换热系数与温度的关系见图 4.空冷阶段, 空气对流 换热系数取常值, 为 56 W·m -2 ·℃ -1 . 图 4 水淬时对流换热系数与温度的关系 Fig.4 Relationshipbetweenheattransfercoefficientandtemperature duringquenchingbywater 3 模拟结果与分析 3.1 温度场模拟和测量值比较 将套管表面温度变化的测量结果和模拟结果进 行比较, 见图 5, 二者吻合很好, 表明所建立的温度 场模型是有效的 .可以用所建模型模拟套管在淬火 冷却过程中的温度场和应力场 . 图 5 套管表面温度的测量值和模拟值比较 Fig.5 Comparisonofmeasuredandsimulatedtemperaturesonthe surfaceofthecasing 3.2 温度场分析 为研究套管在 “水淬—空冷—水淬 ”冷却过程 中各部位温度随时间的变化规律, 沿套管壁厚方向 上提取 a、b和 c三个节点, 其中 a点为壁厚的中心 节点, b点为距外表面 3 mm的节点, c点为外表面节 点, 三节点温度随时间的变化曲线如图 6所示 .可 以看出, 在冷却初期, 外表面温度急剧降低, 中心点 温度降低缓慢, 中心点和表面温差增大, 冷却到 2.5 s时, 温差最大 .当冷却至 7.5 s时 (温度分布云 图见图 7), 套管表面温度为 329 ℃, 中心点温度为 433 ℃(该钢种的 TBf =435 ℃), 温差为 104 ℃.此 时, 中心点温度低于 TBf, 出水空冷不会发生贝氏体 转变, 故该时刻为出水空冷的最佳时刻 . 图 6 冷却过程中不同节点温度的变化曲线 Fig.6 Temperaturecurvesatdifferentnodesduringquenching process 由图 6可以看出 :在空冷阶段, 温度较高的中心 点开始向温度较低的表面传热, 因此表面温度升高, 中心点温度降低 .随空冷时间延长, 横断面温度趋 于均匀.套管壁较薄且导热性好, 断面温度短时间 (约 2 s)内就达到了均匀 .为保证均匀性, 稍微延长 了空冷时间 .比较冷却至 7.5 s和 13 s时的温度分 布云图 (图 7)可以看出, 通过空冷, 从表面到距离表 面 1.8 mm的区域, 温度升高, 中心点到距离表面 1.8 mm的区域, 温度降低, 中心点和表面温差减小, 达到了通过空冷使其断面温度均匀化的目的 . 空冷至 13s后再次水冷, 当冷却至 14.3s时, 温 差再次达到最大, 为 80 ℃, 此时表面温度为 292 ℃, 中心点温度为 372 ℃.从图 7可以看出, 经过空冷 后, 再次水冷至 14.3 s时的最大温差和 7.5 s时的最 大温差 ( 104 ℃)相比降低了 24 ℃, 说明空冷起到了 提高断面温度均匀性的作用, 同时也提高了马氏体 转变的同时性 .此后, 随冷却时间的延长, 三点的温 度均降低, 但变化趋于平缓, 温差也逐渐减小.冷却 到 25 s时, 三点温度近似相等, 随后温度下降更加 平缓 . · 1443·