涂層線鋼管感應(yīng)加熱數(shù)值模擬研究

何春堯,溫宏權(quán)

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

近幾十年來,隨著對石油、天然氣等能源的需求不斷增長,我國啟動了以“西氣東輸”為代表的多條大規(guī)模輸送管道建設(shè)工程,迫切需要大批量高質(zhì)量且能穩(wěn)定生產(chǎn)的各種X80、X100、甚至X120等高等級管線鋼鋼管,大直徑、高壓力、大輸送量已成為當(dāng)前管道工業(yè)發(fā)展的重要趨勢[1]。UOE成型的直縫焊管主要應(yīng)用于大直徑油氣輸送管線,為了防止土壤、海水等多種環(huán)境對鋼管本體的腐蝕,一般需要在鋼管外表面連續(xù)涂覆高性能的保護涂層[2-4]。在寶鋼外涂覆生產(chǎn)線,拋丸處理后UOE鋼管沿錐形輥輥道首尾相接,以一定速度旋轉(zhuǎn)前進,經(jīng)加熱、噴粉、纏繞、冷卻等工序連續(xù)生產(chǎn)“3PE”結(jié)構(gòu)的防腐蝕復(fù)合涂層。其中,分級式中頻感應(yīng)加熱的溫度(180～240 ℃)在很大程度決定了后續(xù)靜電噴涂的環(huán)氧樹脂粉末在熱態(tài)鋼管表面的熔化、鋪展及固化過程,是制約涂層質(zhì)量與性能的一個非常重要的控制參數(shù)。

本文通過有限元數(shù)值模擬,分析電源參數(shù)、線圈結(jié)構(gòu)及鋼管規(guī)格等對鋼管分級感應(yīng)加熱升溫過程的影響,目的是研究提高焊管中頻感應(yīng)加熱質(zhì)量與效率,為打造綠色、智能、低碳的外涂覆生產(chǎn)線提供基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型

數(shù)值建模時,采用1/2對稱模型,對稱中心為鋼管中心軸線;鋼管外徑為914 mm,壁厚17.5 mm;感應(yīng)線圈共2組,串聯(lián)布置,每組線圈13匝,銅管截面尺寸25 mm×10 mm×2.5 mm,匝間距30 mm,每組線圈間距3 m (自然冷卻);電源模型為電壓源,LC并聯(lián)回路。計算所采用的網(wǎng)格剖分(局部)及等效電路見圖1。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical model

模型中,鋼管速度V=1.2 m/min。

鋼管移動表面與周圍空氣的對流換熱系數(shù)h=20 W/(m2·K),鋼管表面輻射換熱系數(shù)ε=0.5 W/(m2·K4),鋼管材料導(dǎo)熱系數(shù)k=47 W/(m·K),且ρ·Cp=0.39E+7 J/(m3·K)。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 電磁場與溫度場

圖2為感應(yīng)加熱電磁場分布。由圖2可見,磁力線在感應(yīng)線圈與鋼管之間集中分布,且基本平行。線圈兩端磁力線發(fā)散,說明在周圍空氣中存在較大的磁場損失。鋼管內(nèi)部由于鋼管的“屏蔽”作用磁力線分布很少。

圖2 電磁場Fig.2 Electromagnetic field

圖3為二級感應(yīng)加熱過程鋼管壁厚溫度場分布。由圖3可見,鋼管經(jīng)過第一級(下部)感應(yīng)線圈的感應(yīng)加熱,室溫鋼管溫度可以升高到150 ℃左右;經(jīng)過第二級(上部)感應(yīng)線圈的感應(yīng)加熱,鋼管溫度可以升高到涂覆工藝要求的180～240 ℃。

圖3 溫度場Fig.3 Temperature field

2.2 升溫曲線

圖4為涂覆鋼管二級感應(yīng)加熱過程升溫曲線,橫坐標(biāo)為距第一級感應(yīng)線圈入口的距離(D),縱坐標(biāo)為鋼管溫度(T)。由圖4可見,在中頻感應(yīng)加熱時,由于“集膚效應(yīng)”的影響,鋼管外表面升溫速度較大,內(nèi)表面升溫速度較小,內(nèi)外溫差約30～40 K。出感應(yīng)器后,鋼管外壁溫度有所降低,內(nèi)壁溫度有所升高,二者很快趨于相同。在感應(yīng)器之間運行時,由于自然冷卻作用,鋼管內(nèi)外壁溫度均有所降低,而且低溫段降溫幅度較小,約為10 K左右;高溫段降溫幅度較大,約為20 K左右。

2.3 電源參數(shù)

改變感應(yīng)加熱電源參數(shù)對線圈電壓、電流、功率的影響及所能加熱的鋼管最高溫度(Tmax)如表1所示。由表1可見,電源電壓越高,功率越大,鋼管加熱溫度越高;頻率越高,由于匹配電容越小,電源功率越小,鋼管加熱溫度越低。因此,應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)母袘?yīng)加熱頻率和最佳的匹配電容,使電源輸出最大的有效功率,使鋼管特別是外壁溫度在鋼管到達(dá)涂覆點位置時滿足涂層工藝要求,做到電源效率和加熱效率同步提高。

圖4 涂覆鋼管感應(yīng)加熱曲線Fig.4 Induction heating curves of coated steel tube

表1 感應(yīng)加熱電源回路計算結(jié)果Table 1 Calculation results of induction heating power circuit

3 結(jié)論

(1) 感應(yīng)加熱電磁場磁力線集中分布在感應(yīng)線圈與鋼管之間,線圈兩端存在較大的磁場損失。

(2) 分級感應(yīng)加熱時,鋼管內(nèi)外壁溫差約30～40 K,出感應(yīng)器后,外壁溫度有所降低,內(nèi)壁溫度有所升高,并快速趨于相同。鋼管自然冷卻低溫段溫降約10 K,高溫段溫降約20 K。

(3) 選擇適當(dāng)?shù)母袘?yīng)加熱頻率和匹配電容,使鋼管特別是外壁溫度在涂覆時滿足涂層工藝要求,做到電源效率和加熱效率同步提高。