中频感应加热在管道防腐涂装生产线中的应用

1、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 Application of Medium-frequency Induction Heating in the Product Line of Pipeline Coating for Corrosion Prevention CHE C

2、un-renAbstract：The problem is 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

3、feasible and well-effect. At the 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

4、1 前言金属腐蚀所造成的损失占国民经济总产值的25%，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90-530mm、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

5、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2000mm、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1-1 SEBF熔融结合环氧粉末管道涂装生产线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

6、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

7、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： 中频感应器应适应十种不同直径的管道（89mm 108mm 133mm 159mm 219mm 273mm 325mm 377mm 426mm 530mm）, 管道长度为8-12M、壁厚为6-15mm。金属管道工件加热温度：240-260 ，管道内、外壁温差：10; 管道运行速度：0.4-0.8M/min（在十种不同直径管道中325的管道为0.6 M/min）; 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； 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

8、型号管道的加工批量，把十种管道按直径分为三组:A组89mm 108mm 133mm 159mm 219mm;B组273mm 325mm;C组377mm 426mm 530mm。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300mm,长为800mm的感应器； B 组配内径为450mm,长为800mm的感应器；C 组配内径为640mm,长为800mm的感应器。下面以B组为例，简要说明设计过程。 频率确定 由于工艺要求管道内、外壁温差10，当频率在1000 Hz时，管道工件的电流透入深度只有1.2mm,

9、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 f30000/d2 和0.352 两个条件，2 其中：f频率、 d管道外径、管材的壁厚、 电流透入深度。因此频率确定为800-1000Hz。 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 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 D -感应器电效率 S-感应器热效率按C组最大直径的管道（530mm）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

10、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250 kw。 感应器管道工件系统电参数设计 B组感应器内径为450mm,长为800mm; 管道外直径为325mm, 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 (匝) 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，2 X，20管道工件电抗 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 COS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

11、g 感应器充填系数 Kr1 Kr2电阻修正系数 2 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 2电流透入深度 M N管材工件系数 Kx1 Kx2-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。 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14×3紫铜管，截面为103 mm2。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962 kVar，因此可选360 kVa

12、r、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

13、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 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，水压为0.2Mpa（水冷计算过程省略）。 中频电源柜采用KGPS250/1 （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

14、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- 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t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t约为1520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（2600

15、C）33 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 300 f 1000Hz感应器内径 （mm）300450640管道内径 (mm)204325530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)2804

16、30480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。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。 不锈钢衬筒两端发热问题在衬筒端部出现过发热现象，经分析发现是由于衬筒伸出过长，受杂散磁场影响,温度积累所致。另外，衬筒喇叭口处在加工时，金

17、属内部组织中有部分奥氏体向马氏体转化，也产生一些影响。调整衬筒长度后问题得到解决。 晶闸管脉冲干扰问题运行中偶尔出现脉冲干扰而仃机，检查发现是电源柜与控制台的连线太长所引起，整理线束并适当进行屏蔽后干扰就没有了。各种管道加热效率不均衡个别规格管道（如89mm、108mm）由于感应圈与管道之间间隙过大，造成负载轻而效率偏低。这只能通过将来生产批量扩大时，再单独设计新的感应圈来解决。4 结束语 与其它传统管道防腐涂装方法相比，该项目经过长期生产实践证明有如下特点：4.1质量稳定 由于感应加热装置有温度闭环和恒功率控制，能使温度始终控制在工艺要求的范围内，加之环氧粉末涂料的超强结合力，产品质量始终稳定可靠。经有关部门检定已经达到国外同类产品的先进水平。4.2操作方便 生产线是全自动化的，操作管理人员很少，而且操作方便、大大减轻了劳动强度。4.3成本低廉 生产线中安装有风力涂料回收装置，涂料可循环再利用，涂料利用率非常高。实现自动化也大大降低了生产成本。同时涂装后的钢管可以替代部分耐蚀合金，也大幅度降低了用户的生产成本，经济效益明显提高。4.4环保节能喷涂平台均安装有排风设施，同时涂料本身已取得了食品卫生合格证，不形成对环境的污染。与其它各