Силовая электроника №2'2009

Индукционный нагрев кольцевых стыков труб большого диаметра

Виктор Царевский

Подогрев кольцевых стыков трубопроводов диаметром до 1420 мм с толщиной стенки около 30 мм при сварке производится газовыми горелками, резистивными нагревателями и способом индукционного нагрева. Как правило, трубы снаружи имеют антикоррозионное покрытие, поэтому индукционный нагрев, с помощью которого источники нагрева генерируются непосредственно в стенке трубы, представляется предпочтительным.

Для оценки энергетических характеристик процесса подогрева труб в первом приближении можно рассмотреть баланс энергии в кольцевой зоне трубы, расположенной непосредственно под нагревателем, предположив, что вся поступающая в стенку трубы тепловая энергия расходуется на повышение температуры означенной зоны, компенсацию отвода тепла от зоны нагрева по стенке трубы в результате теплопроводности и тепловых потерь с внутренней поверхности стенки зоны. Необходимая плотность потока (Вт/м²) энергии от источника к трубе в этом случае будет:

где k — коэффициент учета отвода тепла теплопроводностью от зоны нагрева по стенке трубы (k≤1), c — среднее за период нагрева значение удельной теплоемкости (Дж/(кг·°С)), h — толщина стенки трубы (м), γ — плотность материала трубы (кг/м³); α — суммарный коэффициент конвективной теплоотдачи и излучения (при коэффициенте черноты, равном 1) с внутренней поверхности трубы (Вт/(м²·°С)); ΔT— превышение температуры подогрева над исходной температурой трубы (°С). Трубы изготовляют из стали типа 17Г1С или 09Г2С. Теплофизичес-кие свойства их близки к свойствам стали 20, приведенным в таблице 1 [1].

Если положить k=1, c=502, γ=7830, h=0,03 м, t=1800 с, α= 20, ΔT= 125 °С, то необходимая плотность будет равна p0=18,88×10³ Вт/м² ≈ 2 Вт/см². При этом средняя полезная мощность за период нагрева t=1800 c, передаваемая источником в зону на грева, например, шириною L=0,2 м при наружном диаметре трубы D = 1,42 м, будет:

Для индукционного подогрева кольцевых стыков труб применяют чаще всего два типа индукторов: катушечные (рис. 1а) и петлевые (рис. 1б). В катушечном индукторе ток в соседних витках одного направления. В петлевом индукторе имеются две ветви — прямая и обратная. Токи в ветвях разного направления, а в витках одной ветви — одного.

Таблица 1. Теплофизические свойства труб

СвойстваТемпература, °С
50 100 200
κ, Вт/(м·°С) 51,5 51,1 48,5
c, Дж/(кг·°С) 502
ρ×108, Ом·м 18,7 21,9 29,2
γ, кг/м3 7849 7834 7803

Поэтому энергетические свойства индукционных систем с катушечными индукторами отличаются от свойств систем с петлевыми индукторами. В качестве примера на рис. 2 представлена схема размещения двух индукторов, симметрично расположенных относительно стыка. В случае применения петлевых индукторов система может быть несимметричной. Плоскость между ветвями одного индуктора, строго говоря, не может считаться плоскостью симметрии, как в электромагнитном, так и в тепловом отношении.

Звеном, согласующим промышленную трехфазную сеть 380 В, 50 Гц с однофазными индукционными системами, служит преобразователь частоты. Индукционные системы, работающие на частоте 50 Гц, в принципе, могут согласовываться с сетью с помощью однофазного трансформатора и симметрирующего устройства [2]. Однако такое решение не может конкурировать с инвертором, сочетающим в себе преобразование фаз, частоты и напряжения, а также систему регулирования мощности.

Представляет интерес сравнительная оценка систем с катушечным и с петлевым индуктором. Стали типа 17Г1С и 09Г2С — ферромагнитные. Предварительно полученная величина p0 такова, что относительная магнитная проницаемость иe на поверхности трубы окажет существенное влияние на глубину проникновения электромагнитной волны в стенку трубы. Пользуясь известной методикой [3], можно составить простой алгоритм определения иe. Из хорошо известной формулы p0=2,72×10–3He²√ρμef, Вт/м², для указанных марок сталей, при ρ=23,3×108 Ом·м (табл. 1) определяется:

Здесь He — действующее значение первой гармоники напряженности магнитного поля на поверхности ( А/м); f— частота тока в индукторе. Если по данным кривой намагничивания определить зависимость H²√μ=φ(H), то с ее помощью легко определить μe. В таблице 2 приведены значения H,μ и [4] и H²√μ для стали с содержанием углерода 0,10%.

Таблица 2. Значения параметров для стали с содержанием углерода 0,10%

H, А/м 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000
μ 2500 1100 520 360 220 200 190
(H2√μ)·10-6 12,5 33,2 91,2 170,8 237,3 353,6 496,2

Для сравнительной оценки индукторов достаточно ограничиться диапазоном частот от 50 Гц до 40 кГц. В таблице 3 приводятся значения μe, определенные по изложенному алгоритму, а также глубина проникновения тока: Δe= 503√ρ/μef нагреваемый металл и Δ1 — в индуктирующий провод (для справки).

Таблица 3. Значения μe, определенные по изложенному алгоритму

f, Гц 50 1000 2500 10 000 40 000
μe 73 191 208 397 670
Δe×104, м 40 5,6 3,4 1,2 0,47
Δ1×103, м 10 2,2 1,4 0,7 0,35

Анализируя таблицу 3, можно сделать вывод, что нагрев в рассматриваемом случае носит поверхностный характер. С достаточной для инженерных расчетов точностью из сложной комплексной электромагнитной и тепловой задачи можно выделить тепловую и рассмотреть ее решение в 2D-постановке, например для оценки распределения температуры в стенке трубы, скорости нагрева и т. д. На рис. 3 представлено распределение температуры в стенке вдоль образующей трубы (координата Х в метрах): Т05 — через 30 минут после старта, Т1 — через час. Нагрев считался поверхностным. Расчет произведен при следующих значениях характерных размеров системы (м): D = 1,42, h = 0,03, a = 0,06, b = 0,06, c = 0,09. Плотность теплового потока от ветвей индуктора p0 = 20 × 10³ Вт/м².

Электрические характеристики петлевого индуктора — КПД (г\p) и коэффициент мощности ( cosφp) — при тех же размерах системы и d = 0,015 м существенно зависят от расстояния b между ветвями (рис. 4) при значениях b ≤ 0,02 м. В случае равенства ширины ветви a и расстояния между ними b снижение температуры в зоне b незначительное (рис. 2).

Для сравнения свойств индукционных систем рассмотрены уединенные индукторы с плоскостью симметрии между ветвями. В частотном диапазоне 50-40 000 Гц КПД ηp и cosφp у петлевого индуктора ниже, чем ηc коэффициент мощности cosφc катушечного (рис 5).

При одинаковых размерах и размещении на нагреваемом объекте сравниваемых индукторов, а также мощности, передаваемой нагреваемому изделию:


где Up, Ip, Uc, Ic — напряжение и ток в петлевом и катушечном индукторах соответственно.

Положив Ip = Ic, можно найти отношение напряжений u = Up/Uc (рис. 6), которые надо приложить к индукторам, чтобы достичь одинакового результата по подогреву.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при частоте свыше 10 кГц у петлевого индуктора несколько ниже η и существенно ниже cosφ по сравнению с катушечным индуктором (рис. 5), а отношение u = Up /Uc>1,5.

Петлевой индуктор может составить конкуренцию катушечному индуктору, если он будет гибким и без водоохлаждения. Тогда его будет легко, за один оборот вокруг трубы, накладывать на зону нагрева и подключать к источнику [5]. Однако такого рода индуктор будет иметь p0 ≤ 2 Вт/см², что недостаточно для подогрева кольцевого стыка трубы диаметром 1440 мм при отрицательной окружающей температуре (-20 °С и ниже).

Катушечный индуктор разъемного типа с витками из медного профиля с развитой поверхностью воздушного охлаждения позволяет получитьp0 > 3,5 Вт/см² и произвести подогрев при отрицательных температурах.

В заключение следует отметить, что результаты численного моделирования совмещенной электротепловой задачи, симметричной относительно плоскости стыка для петлевых и катушечных индукторов и несимметричной для петлевых индукторов, мало отличаются от приведенных в настоящей публикации. Более обстоятельный анализ этих результатов — предмет отдельной статьи.

Литература

1. Казанцев Е. И. Промышленные печи / Справочное руководство для расчетов и проектирования. М.: Металлургия, 1975.
2. Васильев А. С, Гуревич С. Г., Иоффе Ю. С. Источники питания электротермических установок. М.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974.
4. Пейсахович В. А. Оборудование для высокочастотной сварки металлов. Л.: Энергоатомиздат, 1988.
5. ProHeat Induction Blankets. Induction Heating System. Issued Oct. 2006. Index No. IN/3.1 (http://www.millerwelds.com/pdf/spec_sheets/ IN3-1.pdf)

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_2_84.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

http://c-podshipnik.ru
упорный подшипник.
c-podshipnik.ru