中频感应加热在管道防腐涂装生产线中的应用

第1页中频感应加热在管道防腐涂装生产线中的应用车存仁(阜新晶体管有限责任公司,辽宁阜新123000)摘要：为了解决管道防腐涂装生产中的加热问题，本文给出了多种尺寸系列工件的感应加热设计方案。通过实验和现场运行考验，证明了设计的可行性和良好效果。同时文中给出了主要试验数据结果。其经济效益和社会效益显著，现已在全国各地推广应用。叙词：感应加热;中频;防腐ApplicationofMedium-frequencyInductionHeatingintheProductLineofPipelineCoatingforCorrosionPreventionCHECun-renAbstract：Theproblemissolvedwhichforthequestionofheatinginthecoatingproductionofthepipelineforcorrosionprevention,Thispapergaveadesignprojectofinductionheatingformulti-dimensionworkpiece.Runthetestthroughtheexperimentandscenehasprovedthatthedesignisfeasibleandwell-effect.Atthesametime,themainexperimentaldataresulthasbeendrawninthispaper.Ithasafatprofitineconomyandsocietyandithavealreadybeenpopularizedandapplyinallpartsofthecountrynow.Keywords:Inductionheating;Medium-frequency;Corrosionprevention1前言金属腐蚀所造成的损失占国民经济总产值的2—5%，是风灾、水灾、火灾、地震灾害之和的五倍。随着我国国民经济的发展和外贸的需要，对金属腐蚀的防护要求越来越高。为解决管道的防腐蚀问题，我公司参加了中科院金属所与浙江省联合立项开发的国家火炬计划项目“SEBF熔融结合环氧粉末管道涂装生产线”，负责加热装置的研制。在各种加热方式中，我们选择了最高效的中频感应加热。该生产线可对直径为φ90-530mm、长度为8-12M、壁厚为6-15mm的工件进行自动内、外喷涂。适用于输送石油、天然气、成品油的水下和埋地管道长寿命防腐蚀涂装。涂装后的管道防腐蚀寿命可达30年以上，有明显的经济效益和社会效益。自从第一条生产线一九九六年在浙江省投产以来，又有大庆、盘锦等十几条生产线纷纷上马，迅速推广应用，形成遍地开花之势（现已能对直径为φ2000mm、壁厚为25mm的管道进行喷涂），为我国管道产品大批量出口和西部开发、西气东输做出了重大贡献。图1-1是涂装生产线现场照片。图1-1SEBF熔融结合环氧粉末管道涂装生产线第2页2生产线构成及工艺流程生产线由喷砂机组、输送辊道、喷涂平台、中频感应加热装置、内外喷涂机组、水幕、红外测温系统等组成。工艺流程见图2-1所示。图2-1工艺流程图主要喷涂工艺过程如图2-2所示，经过喷砂、除锈合格的管道工件由输送辊道GD1、GD2送到辊道GD3上，翻管机把它平稳地送到喷涂平台PT1。再高速送到喷涂平台PT2，此时内喷枪套入管道内。全部设备准备就绪便可开始喷涂。管道按工艺要求的速度旋转前进，首先进入感应器4中加热，加热到工艺温度后，管道头部到达外喷机组5时，内、外喷涂机组各六把喷枪同时开启，开始自动内、外喷涂。喷好的管道经由喷涂平台PT1和辊道GD4进入高压水幕8、9中冷却，之后到GD6、GD7上进一步冷却、精整和检验包装即可出厂或者入库。生产线由主控制室的微型机系统控制。图2-2涂装生产线平面布置图1—内喷机组2、7—喷涂平台3—中频电源柜4—感应器5—外喷机组6—主控制室8、9—冷却水幕10—输送辊道3感应加热装置3.1工艺要求感应加热装置是该生产线中关系涂装质量和效率的关键设备，管道涂装生产线对中频感应加热装置提出如下要求：①中频感应器应适应十种不同直径的管道（φ89mmφ108mmφ133mmφ159mmφ219mmφ273mmφ325mmφ377mmφ426mmφ530mm）,管道长度为8-12M、壁厚为6-15mm。②金属管道工件加热温度：240-260℃，管道内、外壁温差：≤10℃;③管道运行速度：0.4-0.8M/min（在十种不同直径管道中φ325的管道为0.6M/min）;④中频电源柜配备微机控制用的给定电压端口和温度闭环端口；⑤为适应不同直径的管道，感应器要有高度调节装置。3.2感应加热装置设计为了节省设备投资，根据各种规格型号管道的加工批量，把十种管道按直径分为三组:A组—φ89mmφ108mmφ133mmφ159mmφ219mm;B组—φ273mmφ325mm;C组—φ377mmφ426mmφ530mm。每组配备一套感应器。按绝缘、隔热及工艺要求综合考虑，分别确定这三种感应器的内径尺寸，再配合生产线空间位置决定长度尺寸。最后确定：A组配内径为φ300mm,长为800mm的感应器；B组配内径为φ450mm,长为800mm的感应器；C组配内径为φ640mm,长为800mm的感应器。下面以B组为例，简要说明设计过程。第3页①频率确定由于工艺要求管道内、外壁温差≤10℃，当频率在1000Hz时，管道工件的电流透入深度只有1.2mm,[1]要适当增加电流透入深度，保证内、外壁温差,这就要降低中频频率。参考相关资料，感应器频率应同时满足f≥30000/d2和0.35⊿＜τ＜2⊿两个条件，[2]其中：f—频率、d—管道外径、τ—管材的壁厚、⊿—电流透入深度。因此频率确定为800-1000Hz。②电源功率确定按照下面公式计算出感应器有效功率和感应器输入功率。[3])(24.0)(kwtGTTCPrsjj)(kwPPSDjg式中：PJ--感应器有效功率Tj—加热要求温度Ts—工件初始温度G—工件重量tr—加热时间Pg—感应器输入功率C—金属材料平均比热ηD--感应器电效率ηS--感应器热效率按C组最大直径的管道（φ530mm）代入数据得出有效功率PJ为153.5千瓦,电效率取0.8,热效率取0.8,感应器输入功率Pg应为240kw,按标准功率系列选择（并考虑一定的功率余量），最后确定中频电源功率为250kw。③感应器—管道工件系统电参数设计B组感应器内径为φ450mm,长为800mm;管道外直径为φ325mm,壁厚10mm,长12M.按照下列公式可以计算出感应器—管道工件系统的各项电参数：[2])(102.171079.16611'1'1rKgLfRr)(10688)()(62'2''fffXrZ)(106.96410)(9.768112'1'10LKRfXx26.0''ffZrCOS)(103.16328.662222'2'2rMKLRr32103''gffgPrZUW(匝))(10136262222'2'2xNKLRX)(962kVarCOSPPgdr)(107.43610)(9.768222'2'20LKRfXx)(1065'2AZWUIfgg)(105.1806'2'1'rrrf)(109.6636'2'20'10'XXXXf式中：r,1—感应器单匝电阻X,10--感应器单匝电抗r,2—管道工件电阻X，2X，20—管道工件电抗第4页r,f—折算在感应器单匝边的负载电阻X，f—折算在感应器单匝边的负载电抗Z,f—负载阻抗COSφ—功率因数W—感应器匝数Pdr—补偿电容无功功率Ig—感应器电流L1—感应器长度R，1—感应器有效半径g—感应器充填系数Kr1Kr2—电阻修正系数ρ2—管道工件电阻率R，2—管道工件有效半径L2—被加热管道工件长度Δ2—电流透入深度MN—管材工件系数Kx1Kx2--电抗修正系数Ug—感应器两端电压上述各公式的具体计算过程省略,各种系数均由参考文献[2]中相关图表中查得。④感应器结构工艺设计前面计算出感应器匝数W为32匝，为了给功率匹配调节留有余地，匝数定为35匝。分成七组串联，每组5匝，以便并联水路冷却,并在32匝处抽头。选用φ14×3紫铜管，截面为103mm2。感应器电流Ig为1065安，核算电流密度符合要求。[1]补偿电容无功功率Pdr为962kVar，因此可选360kVar、1000Hz的电容3块。用前述同样方法再计算出A组和C组感应器的数据以及电容数量，综合三组情况最后确定感应器结构形状和尺寸。如图3-1所示，感应器架8为方形、由型钢焊接而成，长800mm、宽900mm、高900mm。但必需注意在与感应器轴线垂直平面内不能有金属闭合回路，以防止涡流发热损失。中间开孔的绝缘端板4用铜螺栓紧固在感应器架两端。用撑条连接起来的多组线圈形成感应线圈组件5，再用铜螺栓连接到绝缘端板4上。为防止涡流发热不锈钢衬筒7做成上端开口，两端制成喇叭口以利于管道进出。衬筒外有石棉布三层组成的绝缘隔热层6。电容架1兼做感应器支架，综合A、B、C三组计算结果并留有余地，补偿电容定为五块。电容2和水冷系统9安装在架内，三套感应器同用一个电容架支撑，根据喷涂管道直径选装相应的感应器。电容架上面装有四套高度调节螺杆3，以适应在不同直径管道涂装时，中心高度的调整要求。图3-1感应器结构图1—电容架2—电容3—调节螺杆4—绝缘端板5—感应线圈组件6—绝缘隔热层7—不锈钢衬筒8感应器架9—水冷系统⑤水冷及其它系统的设计感应器水冷系统由一根进水管和一根回水管（G2″）组成，五路并联向线圈和电容供水，第5页水压为0.2Mpa（水冷计算过程省略）。中频电源柜采用KGPS—250/1（250kw、1000Hz）型标准机柜，增设了温度闭环控制端口，用来接收红外测温仪的反馈信号，实现恒功率控制。要达到管道涂装工艺温度,不同规格的管道需要不同的功率。这可以通过调节中频电源功率来控制。功率值可以用3.2--②中的公式来估算。内、外壁温差控制可以通过控制加热之后到喷涂开始这段时间来实现。见图3-2温度曲线，在to时管道经加热后伸出感应器，此刻工件温度最高，外壁温度Tw高于内壁温度Tn。但因管道内部环境温度远高于外部，所以tw冷却速度快而tn冷却速度慢，经过一段时间Δt之后tw=tn=T，T为工艺要求的温度。在tA时刻前后的一段时间内进行喷涂便可满足工艺要求（经过多次实验得出Δt约为15—20秒）。图3-2管道内、外壁温度曲线Tw—外壁温度，Tn—内壁温度，T—工艺要求的温度（2600C）3．3感应加热装置现场实验装置研制完成后，经过出厂检验和模拟实验，各项技术指标均达到设计要求。九六年初到浙江省慈溪市进行生产线现场统调实验。装置经过运行实践的考验，基本达到生产线的工艺要求，我国第一条管道涂装生产线从此诞生投产。运行测试数据见下表：表3-1实验运行测试参数表感应器组别ABC试验条件中频电源柜KGPS-250/1中频电容300μf1000Hz感应器内径（mm）ф300ф450ф640管道内径(mm)ф204ф325ф530管道壁厚(mm)81012管道每米重量(㎏)3983130管道速度(M/min)0.6试验结果中频功率(kw)80150200直流电压(V)280430480直流电流(A)290360430中频电压(V)400590680中频频率(Hz)570700800管道外壁温度(℃)303301270管道内壁温度(℃)296295264环境温度(℃)252428从参数表中可以看出设备不仅达到了设计要求，而且还有很大潜力。又经过一些阻抗匹配调整使效率进一步提高，管道工件运行速度也大幅度提高。实验中发现的问题处理完毕之后，转入正式生产。第6页3.4出现的问题和解决方法研制和实验过程中出现了一些问题都得到妥善解决。①不锈钢衬筒两