核電穩(wěn)壓器筒體內(nèi)壁堆焊感應(yīng)加熱裝置的設(shè)計(jì)

（青島海越機(jī)電科技有限公司，山東 青島 266217）

0 前言

核電穩(wěn)壓器筒體為低合金鋼厚壁工件，在內(nèi)壁堆焊過(guò)程中需要進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用天然氣加熱或電阻式加熱[1]。這兩種方式均通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射的辦法加熱工件，其熱效率低、存在安全隱患以及設(shè)備壽命短，造成加熱工藝效率低且成本高[2]。因此，急需一種能夠大幅度提高加熱效率、降低生產(chǎn)成本、工藝可靠的新型加熱方法。

感應(yīng)加熱工藝的效率高、能耗小、加熱溫度和區(qū)域可控，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。相比于傳統(tǒng)的加熱方式，其在實(shí)現(xiàn)局部加熱的同時(shí)還能保證主要加熱區(qū)域溫度的均勻性，工件加熱后外觀質(zhì)量好，表面幾乎不被氧化[3]。感應(yīng)加熱技術(shù)屬非接觸式加熱，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方針，是綠色環(huán)保的加熱工藝之一[4]。

感應(yīng)加熱工藝根據(jù)被加熱工件的不同形狀設(shè)計(jì)適合其加熱使用的感應(yīng)器，通常感應(yīng)器可以被制作成螺旋形、扁圓形、異形等[5]。核電穩(wěn)壓器筒體內(nèi)壁堆焊要求預(yù)熱溫度為120～250℃，并在整個(gè)焊接過(guò)程持續(xù)保持；焊后進(jìn)行消氫處理，加熱溫度250～400℃，持續(xù)2～4h。此外，要求必須對(duì)筒體整體進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)邊加熱邊旋轉(zhuǎn)堆焊的工藝。傳統(tǒng)的螺旋形感應(yīng)器無(wú)法適應(yīng)這種工藝。為解決核電穩(wěn)壓器筒體內(nèi)壁堆焊預(yù)熱和后熱工藝需求，本研究設(shè)計(jì)了一種能滿足大直徑旋轉(zhuǎn)筒體大面積加熱的新型感應(yīng)加熱器。

2 感應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 感應(yīng)加熱裝置整體設(shè)計(jì)

核電穩(wěn)壓器筒體內(nèi)壁堆焊時(shí)筒體放置在滾輪架上以一定速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，焊接機(jī)頭在內(nèi)壁6點(diǎn)鐘位置。因此，加熱位置宜放置在筒體外壁兩側(cè)，與地面相對(duì)靜止。這種加熱模式可解決筒體與感應(yīng)器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，保證焊接和加熱同時(shí)進(jìn)行互不干涉。

為了使筒體加熱裝置更具通用性，設(shè)計(jì)了一種具有一定加熱寬度的可變半徑C型感應(yīng)器和三維空間移動(dòng)小車(chē)相結(jié)合的裝置，將兩塊C型感應(yīng)器安裝在可移動(dòng)小車(chē)上，放置在筒體的兩側(cè)同時(shí)對(duì)筒體進(jìn)行加熱。C型感應(yīng)器后配置有弧度調(diào)整機(jī)構(gòu)，可使感應(yīng)加熱器的弧面與筒體的外表面相貼合，并能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整張合弧度，以適應(yīng)不同直徑的筒體的加熱。C型感應(yīng)器安裝到可移動(dòng)小車(chē)上，可調(diào)整兩個(gè)感應(yīng)加熱器的高度及其與筒體的貼近度。感應(yīng)加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 筒體內(nèi)壁堆焊感應(yīng)加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)示意

2.2 感應(yīng)加熱線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

感應(yīng)線圈是感應(yīng)加熱設(shè)備中最重要的部件之一，要求其結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)筒體內(nèi)壁與外表面的溫差控制。在平板感應(yīng)加熱器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種矩形結(jié)構(gòu)的阿基米德螺旋式C型感應(yīng)器?？紤]到纏繞方式和材料成本，線圈選用耐高溫合金電纜繞制，具有較好的耐溫性和可加工性。為了提高加熱效率，采取多根電纜線平行繞制方式，提高了感應(yīng)磁場(chǎng)和感應(yīng)渦流的大小，縮短了加熱時(shí)間，提高了加熱效率。

2.3 工件與感應(yīng)線圈之間距離的選擇

被加熱工件與感應(yīng)線圈之間的距離直接影響加熱效果。通常，兩者距離越小，能量利用率越高，加熱速度越快，加熱效果越好。但在筒體邊加熱邊焊接的模式下，工件和感應(yīng)線圈之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者距離太近則容易造成筒體磨損感應(yīng)器，為此在感應(yīng)器上設(shè)計(jì)了可調(diào)限位裝置。

2.4 C型感應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)

感應(yīng)器的尺寸是C型感應(yīng)器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。在不考慮焊接熱輸入的前提下，感應(yīng)加熱時(shí)多片C型感應(yīng)器的總熱輸入應(yīng)等于工件升溫吸收的熱量去掉筒體的熱損失。感應(yīng)器的尺寸設(shè)計(jì)原則是能夠保證感應(yīng)電源的全功率輸出，并能使筒體的溫度均勻，長(zhǎng)時(shí)間維持筒體的預(yù)熱和后熱溫度。

假定筒體外徑為D，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則筒體的外表面積S為

設(shè)單片C型感應(yīng)器的弧長(zhǎng)為l0，寬度為d，則其加熱面積S0為

定義

式中 k為加熱系數(shù)；n為C型感應(yīng)加熱器的個(gè)數(shù)。k是感應(yīng)器尺寸設(shè)計(jì)的先決條件，其物理意義為筒體外表面加熱面積占筒體外壁總表面積的百分比。

2.5 感應(yīng)加熱設(shè)備的應(yīng)用

該感應(yīng)加熱裝置已經(jīng)應(yīng)用于核電穩(wěn)壓器筒節(jié)的內(nèi)壁堆焊加熱工藝中。筒節(jié)左右兩側(cè)各安排兩臺(tái)C型感應(yīng)加熱器，橫跨整個(gè)筒節(jié)的長(zhǎng)度，各自連接一臺(tái)120 kW中頻感應(yīng)加熱電源。堆焊過(guò)程中保證筒節(jié)整體一直在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)；堆焊完成后立即對(duì)筒節(jié)升溫，進(jìn)行后熱和消氫處理。在長(zhǎng)時(shí)間的加熱過(guò)程中，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度較高。

3 結(jié)論

針對(duì)核電穩(wěn)壓器筒體的內(nèi)壁堆焊預(yù)熱和后熱工藝，設(shè)計(jì)了一款可調(diào)半徑C型感應(yīng)器和三維可移動(dòng)小車(chē)相結(jié)合的加熱裝置。

（1）可調(diào)半徑C型感應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)大面積筒體的外壁感應(yīng)加熱，加熱溫度均勻可控，且能夠適應(yīng)一定范圍的不同直徑筒體的加熱。

（2）三維可移動(dòng)工裝小車(chē)能夠適應(yīng)不同位置和高度的筒體的內(nèi)壁堆焊感應(yīng)加熱需求，限位輪可保證感應(yīng)器與工件不產(chǎn)生摩擦。