防腐管道用中頻

1、中頻感應(yīng)加熱在管道防腐涂裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用 摘要：為了解決管道防腐涂裝生產(chǎn)中的加熱問題，本文給出了多種尺寸系列工件的感應(yīng)加熱設(shè)計方案。通過實驗和現(xiàn)場運行考驗，證明了設(shè)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(jié)果。其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，現(xiàn)已在全國各地推廣應(yīng)用。敘詞：感應(yīng)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(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的25%，是風(fēng)災(zāi)

4、、水災(zāi)、火災(zāi)、地震災(zāi)害之和的五倍。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和外貿(mào)的需要，對金屬腐蝕的防護(hù)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(jié)合環(huán)氧粉末管道涂裝生產(chǎn)線”，負(fù)責(zé)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(yīng)加熱。該生產(chǎn)線可對直徑為90-530mm、長度為8-12M、壁厚為6-15mm的工件進(jìn)行自動內(nèi)、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(dá)30年以上，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。自從第一條生產(chǎn)線一九九六年在浙江省投產(chǎn)以來，又有大慶、盤錦等十幾條生產(chǎn)線

5、紛紛上馬，迅速推廣應(yīng)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(jìn)行噴涂），為我國管道產(chǎn)品大批量出口和西部開發(fā)、西氣東輸做出了重大貢獻(xiàn)。圖1-1是涂裝生產(chǎn)線現(xiàn)場照片。 圖1-1 SEBF熔融結(jié)合環(huán)氧粉末管道涂裝生產(chǎn)線2 生產(chǎn)線構(gòu)成及工藝流程 生產(chǎn)線由噴砂機(jī)組、輸送輥道、噴涂平臺、中頻感應(yīng)加熱裝置、內(nèi)外噴涂機(jī)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(jīng)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(jī)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(nèi)噴槍套入管道內(nèi)。全部

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

7、裝置提出如下要求： 中頻感應(yīng)器應(yīng)適應(yīng)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(nèi)、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(jī)控制用的給定電壓端口和溫度閉環(huán)端口； 為適應(yīng)不同直徑的管道，感應(yīng)器要有高度調(diào)節(jié)裝置。3.2 感應(yīng)加熱裝置設(shè)計為了節(jié)省設(shè)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(yīng)器。按絕緣、隔熱及工藝要求綜合考慮，分別確定這三種感應(yīng)器的內(nèi)徑尺寸，再配合生產(chǎn)線空間位置決定長度尺寸。最后確定：A 組配內(nèi)徑為300mm,長為800mm的感應(yīng)器； B 組配內(nèi)徑為450mm,長為800mm的感應(yīng)器；C 組配內(nèi)徑為640mm,長為800mm的感應(yīng)器。下面以B組為例，簡要說明設(shè)計過程。 頻率確定 由于工藝要求管道內(nèi)、外壁溫差10，當(dāng)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(dāng)增加電流透入深度，保證內(nèi)、外壁溫差,這就要降低中頻

9、頻率。參考相關(guān)資料，感應(yīng)器頻率應(yīng)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(yīng)器有效功率和感應(yīng)器輸入功率。3 式中：PJ-感應(yīng)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(yīng)器輸入功率 C金屬材料平均比熱 D -感應(yīng)器電效率 S-感應(yīng)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(yīng)器輸入功率Pg應(yīng)為240kw,按標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)器管道工件系統(tǒng)電參數(shù)設(shè)計 B組感應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器管道工件系統(tǒng)的各項電參數(shù)：2 (匝) 式中：r,1感應(yīng)器單匝電阻 X,10 -感應(yīng)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(yīng)器單匝邊的負(fù)載電阻 X，f折算在感應(yīng)器單匝邊的負(fù)載電抗 Z,f負(fù)載阻抗 COS功率因數(shù) W 感應(yīng)器匝數(shù) Pdr補(bǔ)償電容無功功率 Ig感應(yīng)器電流 L1感應(yīng)器長度 R，1感應(yīng)器有效半徑 g 感應(yīng)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(yīng)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(xiàn)2中相關(guān)圖表中查得。 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計 前面計算出感應(yīng)器匝數(shù)W為32匝，為了給功率匹配調(diào)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(yīng)器電流Ig為1065安，核算電流密度符合要求。1補(bǔ)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(yīng)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(yīng)器結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。如圖3-1所示，感應(yīng)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(yīng)器軸線垂直平面內(nèi)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(yīng)器架兩端。用撐條連接起來的多組線圈形成感應(yīng)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(jìn)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(yīng)器支架，綜合A、B、C三組計算結(jié)果并留有余地，補(bǔ)償電容定為五塊。電容2和水冷系統(tǒng)9安裝在架內(nèi)，三套感應(yīng)器同用一個電容架支撐，根據(jù)噴

13、涂管道直徑選裝相應(yīng)的感應(yīng)器。電容架上面裝有四套高度調(diào)節(jié)螺桿3，以適應(yīng)在不同直徑管道涂裝時，中心高度的調(diào)整要求。圖 3-1 感應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖 1電容架 2電容 3調(diào)節(jié)螺桿 4絕緣端板 5感應(yīng)線圈組件 6絕緣隔熱層 7不銹鋼襯筒 8感應(yīng)器架 9水冷系統(tǒng) 水冷及其它系統(tǒng)的設(shè)計 感應(yīng)器水冷系統(tǒng)由一根進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，增設(shè)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(dá)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(diào)

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(nèi)、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(jīng)加熱后伸出感應(yīng)器，此刻工件溫度最高，外壁溫度Tw高于內(nèi)壁溫度Tn。 但因管道內(nèi)部環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于外部，所以tw冷卻速度快而tn冷卻速度慢，經(jīng)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(nèi)進(jìn)行噴涂便可滿足工藝要求（經(jīng)過多次實驗得出t約為1520秒）。 圖3-2 管道內(nèi)、外壁溫度曲線 Tw外壁溫度，Tn內(nèi)壁溫度，T工藝要求的溫度（2600C）33 感應(yīng)加熱裝置現(xiàn)場實驗裝置研制完成后，經(jīng)過出廠檢驗和模擬實驗，各

15、項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。九六年初到浙江省慈溪市進(jìn)行生產(chǎn)線現(xiàn)場統(tǒng)調(diào)實驗。裝置經(jīng)過運行實踐的考驗，基本達(dá)到生產(chǎn)線的工藝要求，我國第一條管道涂裝生產(chǎn)線從此誕生投產(chǎn)。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(yīng)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(yīng)器內(nèi)徑 （mm）300450640管道內(nèi)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(jié)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(nèi)壁溫度 ()296295264環(huán)境溫度 ()252428從參數(shù)表中可以看出設(shè)備不僅達(dá)到了設(shè)計要求，而且還有很大潛力。又經(jīng)過一些阻抗匹配調(diào)整使效率進(jìn)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(zhuǎn)入正式生產(chǎn)。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(jīng)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(nèi)部組織中有部分奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化，也產(chǎn)生一些影響。調(diào)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(jī)，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(dāng)進(jìn)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(yīng)圈與管道之間間隙過大，造成負(fù)載輕而效率偏低。這只能通過將來生產(chǎn)批量擴(kuò)大時，再單獨設(shè)計新的感應(yīng)圈來解決。4 結(jié)束語 與其它傳統(tǒng)管道防腐涂裝方法相比，該項目經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐證明有如下特點：4.1質(zhì)量穩(wěn)定 由于感應(yīng)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(nèi)，加之環(huán)氧粉末涂料的超強(qiáng)結(jié)合力，產(chǎn)品質(zhì)量始終穩(wěn)定可靠。經(jīng)有關(guān)部門檢定已經(jīng)達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。4.2操作方便 生

18、產(chǎn)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(qiáng)度。4.3成本低廉 生產(chǎn)線中安裝有風(fēng)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(chǎn)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(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。4.4環(huán)保節(jié)能噴涂平臺均安裝有排風(fēng)設(shè)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(yīng)加熱裝置不產(chǎn)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(chǎn)線是中頻感應(yīng)加熱裝置與先進(jìn)的管道涂裝技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，它的誕生和充滿生機(jī)活力的卓越表現(xiàn)，為我國管道涂裝自動化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)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(xué)技術(shù)出