電磁感應加熱技術在加氫反應器彎管加熱中的應用

唐計龍

(中國第一重型機械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧116113)

加氫反應器是石油化工行業(yè)的關鍵設備，通常運行在高溫、高壓、臨氫、硫化氫等腐蝕介質(zhì)的工作條件下。目前，加氫反應器的主體材料普遍選用Cr-Mo合金鋼，主要為2.25Cr-1Mo鋼和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。根據(jù)加氫反應器的制造技術要求，Cr-Mo合金鋼所有承壓的焊接接頭焊后應進行中間消應力熱處理，不得用消氫處理代替。對于反應器的頂部彎管和底部彎管焊縫來說，在焊縫焊接完成后需維持預熱溫度直至進熱處理爐做中間熱處理，造成熱處理爐負荷大，工件吊裝轉運次數(shù)多，生產(chǎn)周期長，消耗大量的液化氣、柴油和電力資源。

近幾年，隨著感應加熱技術的發(fā)展，這種高效、節(jié)能、環(huán)保型技術已被廣泛應用于管道的焊接和熱處理。本文采用電磁感應加熱設備對厚壁管進行局部中間熱處理工藝試驗，找出影響電磁感應加熱效果的主要因素，制定出合理的頂部、底部彎管焊后中間熱處理工藝。

1 電磁感應加熱原理

電磁感應加熱是將工件置于有足夠功率輸出的通有一定頻率交流電的感應線圈中，由于電磁感應而在工件中形成強大的感應電流(渦流)從而使工件加熱的一種方法。根據(jù)頻率不同分為高頻(f≥100 kHz)、超音頻(f=10 kHz～100 kHz)、中頻(f<10 kHz)、低頻(f=50 Hz)。高頻及超音頻主要用于表面淬火，中頻廣泛用于金屬的焊接熱處理加熱，低頻主要用于對大工件的整體加熱、退火等。

電磁感應加熱具有以下特點：

(1)集膚效應。在感應加熱時，當線圈中通以一定頻率的交流電時，由于電磁感應，工件中的渦流密度隨磁場強度由表面向內(nèi)層逐漸減小而相應減小的現(xiàn)象。集膚效應跟頻率有關，頻率越大，集膚效應越明顯。

(2)臨近效應。兩個相鄰的通以交流電的導體，由于磁場的相互影響而使導體中的電流重新分配，當相鄰導體為同向電流時，最大電流出現(xiàn)在導體外側，反之，最大電流出現(xiàn)在導體內(nèi)側。臨近效應對感應加熱是有利的，但當工件與線圈間隙不均勻時，會導致電流分布不均勻而造成對工件的不均勻加熱。

(3)圓環(huán)效應。交流電通過圓環(huán)形線圈傳輸，最大電流密度會出現(xiàn)于線圈內(nèi)側。圓環(huán)效應對加熱圓柱形工件是有利的。

圖1 工件簡圖Figure 1 Schematic diagram of workpiece

圖2 工件附偶、保溫及線圈纏繞示意圖Figure 2 Schematic diagram of workpiece with coupling, thermal insulation cotton and coil winding

2 試驗過程

加氫反應器的頂部彎管與底部彎管壁厚一般在50 mm左右，內(nèi)徑在200 mm～300 mm之間。選用如圖1所示工件進行熱處理試驗，工件材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。

電磁感應設備功率為P=30 kW，頻率f=900 Hz，加熱電纜通水冷卻。

工件加熱區(qū)域內(nèi)外鋪設保溫棉，外表面附一支控制偶，內(nèi)表面附一支監(jiān)測偶，線圈以外表面的控制偶為中心纏繞，如圖2所示。

熱處理工藝曲線如圖3所示。

準備5組試驗(表1)，按照圖3所示熱處理曲線進行試驗，記錄實際工件熱處理曲線并分析結果。

圖3 熱處理曲線Figure 3 Heat treatment curve

線圈纏繞匝數(shù)/匝升溫速度/(℃/h)第一組第二組第三組第四組第五組4812883030306090

3 試驗結果及分析

觀察第一組熱處理曲線發(fā)現(xiàn)，工件在升溫過程中內(nèi)外溫差平均在60℃，在保溫期間內(nèi)外溫差為50℃。隨著保溫時間的延長，內(nèi)外溫差沒有進一步縮小，不符合保溫期間內(nèi)外溫差為30℃的工藝要求。

觀察第二組熱處理曲線發(fā)現(xiàn)，工件在升溫過程中內(nèi)外溫差平均在40℃，在保溫期間內(nèi)外溫差為20℃，符合工藝要求，試驗記錄如圖4所示。

第三組熱處理曲線與第二組熱處理曲線基本相同，但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)設備水溫明顯升高，工件升溫較第二組試驗困難。

圖4 第二組熱處理試驗記錄(升溫與保溫)Figure 4 The test records for the second group of heat treatment (heating and thermal insulation)

第四組與第五組熱處理曲線同樣與第二組曲線基本相同。

通過以上5組熱處理試驗可知，線圈匝數(shù)是影響內(nèi)外溫差的最主要因素，線圈匝數(shù)越多，加熱區(qū)域越大，工件在升溫過程中以及保溫過程中的內(nèi)外溫差越小。

在線圈匝數(shù)一定的情況下，升溫速度對工件升溫和保溫過程中的內(nèi)外溫差幾乎沒有影響，不會出現(xiàn)由于升溫速度過快導致內(nèi)外溫差增大，進而產(chǎn)生較大熱應力的情況，所以可以在標準允許的范圍內(nèi)增大升溫速度，提高生產(chǎn)效率。

4 結論

(1)線圈匝數(shù)是影響升溫過程和保溫過程內(nèi)外溫差的最主要因素，但是，也不能盲目的為了減小內(nèi)外溫差而增多線圈匝數(shù)，否則容易出現(xiàn)溫度升不上去的現(xiàn)象。

(2)升溫速度對熱處理曲線影響較小，在實際生產(chǎn)中可以在標準允許的升溫速度范圍內(nèi)選擇較快的升溫速度，提高生產(chǎn)效率。

(3)工件內(nèi)外需采取較好的保溫措施，盡可能的增大保溫棉的覆蓋區(qū)域。