防腐管道用中頻

1、中頻感應加熱在管道防腐涂裝生產線中的應用 摘要：為了解決管道防腐涂裝生產中的加熱問題，本文給出了多種尺寸系列工件的感應加熱設計方案。通過實驗和現(xiàn)場運行考驗，證明了設計的可行性和良好效果。同時文中給出了主要試驗數(shù)據(jù)結果。其經濟效益和社會效益顯著，現(xiàn)已在全國各地推廣應用。敘詞：感應加熱; 中頻; 防腐 Application of Medium-frequency Induction Heating in the Product Line of Pipeline Coating for Corrosion Prevention CHE Cun-renAbstract：The problem is

2、solved which for the question of heating in the coating production of the pipeline for corrosion prevention, This paper gave a design project of induction heating for multi-dimension workpiece. Run the test through the experiment and scene has proved that the design is feasible and well-effect. At t

3、he same time, the main experimental data result has been drawn in this paper. It has a fat profit in economy and society and it have already been popularized and apply in all parts of the country now.Key words: Induction heating; Medium- frequency; Corrosion prevention 1 前言金屬腐蝕所造成的損失占國民經濟總產值的25%，是風災

4、、水災、火災、地震災害之和的五倍。隨著我國國民經濟的發(fā)展和外貿的需要，對金屬腐蝕的防護要求越來越高。為解決管道的防腐蝕問題，我公司參加了中科院金屬所與浙江省聯(lián)合立項開發(fā)的國家火炬計劃項目“SEBF熔融結合環(huán)氧粉末管道涂裝生產線”，負責加熱裝置的研制。在各種加熱方式中，我們選擇了最高效的中頻感應加熱。該生產線可對直徑為90-530mm、長度為8-12M、壁厚為6-15mm的工件進行自動內、外噴涂。適用于輸送石油、天然氣、成品油的水下和埋地管道長壽命防腐蝕涂裝。涂裝后的管道防腐蝕壽命可達30年以上，有明顯的經濟效益和社會效益。自從第一條生產線一九九六年在浙江省投產以來，又有大慶、盤錦等十幾條生產線

5、紛紛上馬，迅速推廣應用，形成遍地開花之勢（現(xiàn)已能對直徑為2000mm、壁厚為25mm的管道進行噴涂），為我國管道產品大批量出口和西部開發(fā)、西氣東輸做出了重大貢獻。圖1-1是涂裝生產線現(xiàn)場照片。 圖1-1 SEBF熔融結合環(huán)氧粉末管道涂裝生產線2 生產線構成及工藝流程 生產線由噴砂機組、輸送輥道、噴涂平臺、中頻感應加熱裝置、內外噴涂機組、水幕、紅外測溫系統(tǒng)等組成。工藝流程見圖2-1所示。 圖2-1 工藝流程圖主要噴涂工藝過程如圖2-2所示，經過噴砂、除銹合格的管道工件由輸送輥道GD1、GD2送到輥道GD3上，翻管機把它平穩(wěn)地送到噴涂平臺PT1。再高速送到噴涂平臺PT2，此時內噴槍套入管道內。全部

6、設備準備就緒便可開始噴涂。管道按工藝要求的速度旋轉前進，首先進入感應器4中加熱，加熱到工藝溫度后，管道頭部到達外噴機組5時，內、外噴涂機組各六把噴槍同時開啟，開始自動內、外噴涂。噴好的管道經由噴涂平臺PT1和輥道GD4進入高壓水幕8、9中冷卻，之后到GD6、GD7上進一步冷卻、精整和檢驗包裝即可出廠或者入庫。生產線由主控制室的微型機系統(tǒng)控制。圖 2-2 涂裝生產線平面布置圖 1內噴機組 2、7噴涂平臺 3中頻電源柜 4感應器 5外噴機組 6主控制室 8、9冷卻水幕 10輸送輥道3 感應加熱裝置3.1 工藝要求 感應加熱裝置是該生產線中關系涂裝質量和效率的關鍵設備， 管道涂裝生產線對中頻感應加熱

7、裝置提出如下要求： 中頻感應器應適應十種不同直徑的管道（89mm 108mm 133mm 159mm 219mm 273mm 325mm 377mm 426mm 530mm）, 管道長度為8-12M、壁厚為6-15mm。金屬管道工件加熱溫度：240-260 ，管道內、外壁溫差：10; 管道運行速度：0.4-0.8M/min（在十種不同直徑管道中325的管道為0.6 M/min）; 中頻電源柜配備微機控制用的給定電壓端口和溫度閉環(huán)端口； 為適應不同直徑的管道，感應器要有高度調節(jié)裝置。3.2 感應加熱裝置設計為了節(jié)省設備投資，根據(jù)各種規(guī)格型號管道的加工批量，把十種管道按直徑分為三組:A組89mm

8、108mm 133mm 159mm 219mm;B組273mm 325mm;C組377mm 426mm 530mm。每組配備一套感應器。按絕緣、隔熱及工藝要求綜合考慮，分別確定這三種感應器的內徑尺寸，再配合生產線空間位置決定長度尺寸。最后確定：A 組配內徑為300mm,長為800mm的感應器； B 組配內徑為450mm,長為800mm的感應器；C 組配內徑為640mm,長為800mm的感應器。下面以B組為例，簡要說明設計過程。 頻率確定 由于工藝要求管道內、外壁溫差10，當頻率在1000 Hz時，管道工件的電流透入深度只有1.2mm,1 要適當增加電流透入深度，保證內、外壁溫差,這就要降低中頻

9、頻率。參考相關資料，感應器頻率應同時滿足 f30000/d2 和0.352 兩個條件，2 其中：f頻率、 d管道外徑、管材的壁厚、 電流透入深度。因此頻率確定為800-1000Hz。 電源功率確定按照下面公式計算出感應器有效功率和感應器輸入功率。3 式中：PJ-感應器有效功率 Tj加熱要求溫度 Ts工件初始溫度 G工件重量 tr加熱時間 Pg感應器輸入功率 C金屬材料平均比熱 D -感應器電效率 S-感應器熱效率按C組最大直徑的管道（530mm）代入數(shù)據(jù)得出有效功率PJ為153.5千瓦,電效率取0.8,熱效率取0.8, 感應器輸入功率Pg應為240kw,按標準功率系列選擇（并考慮一定的功率余量

10、），最后確定中頻電源功率為250 kw。 感應器管道工件系統(tǒng)電參數(shù)設計 B組感應器內徑為450mm,長為800mm; 管道外直徑為325mm, 壁厚10mm,長12M. 按照下列公式可以計算出感應器管道工件系統(tǒng)的各項電參數(shù)：2 (匝) 式中：r,1感應器單匝電阻 X,10 -感應器單匝電抗 r,2管道工件電阻 X，2 X，20管道工件電抗 r,f折算在感應器單匝邊的負載電阻 X，f折算在感應器單匝邊的負載電抗 Z,f負載阻抗 COS功率因數(shù) W 感應器匝數(shù) Pdr補償電容無功功率 Ig感應器電流 L1感應器長度 R，1感應器有效半徑 g 感應器充填系數(shù) Kr1 Kr2電阻修正系數(shù) 2 管道工件

11、電阻率 R，2管道工件有效半徑 L2 被加熱管道工件長度 2電流透入深度 M N管材工件系數(shù) Kx1 Kx2-電抗修正系數(shù) Ug 感應器兩端電壓上述各公式的具體計算過程省略,各種系數(shù)均由參考文獻2中相關圖表中查得。 感應器結構工藝設計 前面計算出感應器匝數(shù)W為32匝，為了給功率匹配調節(jié)留有余地，匝數(shù)定為35匝。分成七組串聯(lián)，每組5匝，以便并聯(lián)水路冷卻,并在32匝處抽頭。選用143紫銅管，截面為103 mm2。感應器電流Ig為1065安，核算電流密度符合要求。1補償電容無功功率Pdr為962 kVar，因此可選360 kVar、1000Hz的電容3塊。 用前述同樣方法再計算出A組和C組感應器的數(shù)

12、據(jù)以及電容數(shù)量，綜合三組情況最后確定感應器結構形狀和尺寸。如圖3-1所示，感應器架8為方形、由型鋼焊接而成，長800mm、寬900mm、高900mm。但必需注意在與感應器軸線垂直平面內不能有金屬閉合回路，以防止渦流發(fā)熱損失。中間開孔的絕緣端板4用銅螺栓緊固在感應器架兩端。用撐條連接起來的多組線圈形成感應線圈組件5，再用銅螺栓連接到絕緣端板4上。為防止渦流發(fā)熱不銹鋼襯筒7做成上端開口，兩端制成喇叭口以利于管道進出。襯筒外有石棉布三層組成的絕緣隔熱層6。電容架1兼做感應器支架，綜合A、B、C三組計算結果并留有余地，補償電容定為五塊。電容2和水冷系統(tǒng)9安裝在架內，三套感應器同用一個電容架支撐，根據(jù)噴

13、涂管道直徑選裝相應的感應器。電容架上面裝有四套高度調節(jié)螺桿3，以適應在不同直徑管道涂裝時，中心高度的調整要求。圖 3-1 感應器結構圖 1電容架 2電容 3調節(jié)螺桿 4絕緣端板 5感應線圈組件 6絕緣隔熱層 7不銹鋼襯筒 8感應器架 9水冷系統(tǒng) 水冷及其它系統(tǒng)的設計 感應器水冷系統(tǒng)由一根進水管和一根回水管（G2）組成，五路并聯(lián)向線圈和電容供水，水壓為0.2Mpa（水冷計算過程省略）。 中頻電源柜采用KGPS250/1 （250kw、1000Hz）型標準機柜，增設了溫度閉環(huán)控制端口，用來接收紅外測溫儀的反饋信號，實現(xiàn)恒功率控制。 要達到管道涂裝工藝溫度,不同規(guī)格的管道需要不同的功率。這可以通過調

14、節(jié)中頻電源功率來控制。功率值可以用3.2- 中的公式來估算。內、外壁溫差控制可以通過控制加熱之后到噴涂開始這段時間來實現(xiàn)。見圖3-2溫度曲線，在to時管道經加熱后伸出感應器，此刻工件溫度最高，外壁溫度Tw高于內壁溫度Tn。 但因管道內部環(huán)境溫度遠高于外部，所以tw冷卻速度快而tn冷卻速度慢，經過一段時間t之后tw= tn= T， T為工藝要求的溫度。在tA時刻前后的一段時間內進行噴涂便可滿足工藝要求（經過多次實驗得出t約為1520秒）。 圖3-2 管道內、外壁溫度曲線 Tw外壁溫度，Tn內壁溫度，T工藝要求的溫度（2600C）33 感應加熱裝置現(xiàn)場實驗裝置研制完成后，經過出廠檢驗和模擬實驗，各

15、項技術指標均達到設計要求。九六年初到浙江省慈溪市進行生產線現(xiàn)場統(tǒng)調實驗。裝置經過運行實踐的考驗，基本達到生產線的工藝要求，我國第一條管道涂裝生產線從此誕生投產。運行測試數(shù)據(jù)見下表： 表3-1 實驗運行測試參數(shù)表感應器組別ABC試驗條件中頻電源柜KGPS-250/1中頻電容 300 f 1000Hz感應器內徑 （mm）300450640管道內徑 (mm)204325530管道壁厚 (mm)81012管道每米重量 ()3983130管道速度 (M/min)0.6試驗結果中頻功率 (kw)80150200直流電壓 (V)280430480直流電流 (A)290360430中頻電壓 (V)400590

16、680中頻頻率 (Hz)570700800管道外壁溫度 ()303301270管道內壁溫度 ()296295264環(huán)境溫度 ()252428從參數(shù)表中可以看出設備不僅達到了設計要求，而且還有很大潛力。又經過一些阻抗匹配調整使效率進一步提高，管道工件運行速度也大幅度提高。實驗中發(fā)現(xiàn)的問題處理完畢之后，轉入正式生產。3.4 出現(xiàn)的問題和解決方法研制和實驗過程中出現(xiàn)了一些問題都得到妥善解決。 不銹鋼襯筒兩端發(fā)熱問題在襯筒端部出現(xiàn)過發(fā)熱現(xiàn)象，經分析發(fā)現(xiàn)是由于襯筒伸出過長，受雜散磁場影響,溫度積累所致。另外，襯筒喇叭口處在加工時，金屬內部組織中有部分奧氏體向馬氏體轉化，也產生一些影響。調整襯筒長度后問題

17、得到解決。 晶閘管脈沖干擾問題運行中偶爾出現(xiàn)脈沖干擾而仃機，檢查發(fā)現(xiàn)是電源柜與控制臺的連線太長所引起，整理線束并適當進行屏蔽后干擾就沒有了。各種管道加熱效率不均衡個別規(guī)格管道（如89mm、108mm）由于感應圈與管道之間間隙過大，造成負載輕而效率偏低。這只能通過將來生產批量擴大時，再單獨設計新的感應圈來解決。4 結束語 與其它傳統(tǒng)管道防腐涂裝方法相比，該項目經過長期生產實踐證明有如下特點：4.1質量穩(wěn)定 由于感應加熱裝置有溫度閉環(huán)和恒功率控制，能使溫度始終控制在工藝要求的范圍內，加之環(huán)氧粉末涂料的超強結合力，產品質量始終穩(wěn)定可靠。經有關部門檢定已經達到國外同類產品的先進水平。4.2操作方便 生

18、產線是全自動化的，操作管理人員很少，而且操作方便、大大減輕了勞動強度。4.3成本低廉 生產線中安裝有風力涂料回收裝置，涂料可循環(huán)再利用，涂料利用率非常高。實現(xiàn)自動化也大大降低了生產成本。同時涂裝后的鋼管可以替代部分耐蝕合金，也大幅度降低了用戶的生產成本，經濟效益明顯提高。4.4環(huán)保節(jié)能噴涂平臺均安裝有排風設施，同時涂料本身已取得了食品衛(wèi)生合格證，不形成對環(huán)境的污染。與其它各種傳統(tǒng)加熱方式比較，中頻感應加熱裝置不產生環(huán)境污染，而且電效率很高，具有環(huán)保節(jié)能的明顯優(yōu)勢。綜上所述，該生產線是中頻感應加熱裝置與先進的管道涂裝技術完美結合的產物，它的誕生和充滿生機活力的卓越表現(xiàn)，為我國管道涂裝自動化和經濟發(fā)展做出貢獻。參考文獻1 潘天明.現(xiàn)代感應加熱裝置M.北京:冶金工業(yè)出版社,1996.2 楊思俊,朱伯年.晶閘管中頻電源基本知識M.浙江科學技術出