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      高頻感應(yīng)加熱螺栓試驗(yàn)器具優(yōu)化研究

      2022-06-24 03:37:38周靄琳朱凱亮朱元生
      設(shè)備管理與維修 2022年10期
      關(guān)鍵詞:加熱棒熱應(yīng)力加熱器

      周靄琳,葉 凱,朱凱亮,朱元生,劉 斌

      (中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江嘉興 314300)

      0 引言

      大型汽輪機(jī)汽缸由上下兩部分組成,中分面法蘭螺栓需要較大的緊固力才能保證嚴(yán)密性、安全性和較高的熱效率,通常采用加熱法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固,加熱螺栓至規(guī)定伸長(zhǎng)量后再進(jìn)行松緊拆裝。常用的加熱法有電阻加熱和高頻加熱,某電廠以前采用電阻加熱器對(duì)螺栓進(jìn)行加熱,現(xiàn)改進(jìn)使用新型的高頻感應(yīng)加熱方式,感應(yīng)加熱利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流,依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的[1-2]。但由于加熱方法和人員操作不規(guī)范,導(dǎo)致螺栓無(wú)法緊固到位,經(jīng)常返工、效率較低[3]。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)感應(yīng)加熱器進(jìn)行優(yōu)化分析,以期尋找加熱螺栓的最優(yōu)加熱器參數(shù),并對(duì)非中心處加熱的工況進(jìn)行分析研究,確認(rèn)加熱器的安裝范圍及對(duì)熱緊螺栓的溫度、軸向應(yīng)力、伸長(zhǎng)量的影響。將優(yōu)化后的螺栓加熱方法運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)檢修工作中,以規(guī)范檢修操作,提升檢修質(zhì)量。

      1 試驗(yàn)裝置

      采用電磁加熱方式對(duì)螺栓進(jìn)行加熱,通過(guò)溫度傳感器、位移測(cè)量裝置采集螺栓關(guān)鍵部位的溫度和伸長(zhǎng)量。將感應(yīng)加熱線棒插入螺栓的中心孔,通過(guò)接線器與高頻電源相連;螺母頂部裝有伸長(zhǎng)量測(cè)量裝置(由千分表、測(cè)量套筒和測(cè)量桿組成),用于測(cè)量螺母的加熱伸長(zhǎng)量,試驗(yàn)裝置測(cè)試段如圖1所示。

      圖1 試驗(yàn)裝置測(cè)試段

      2 感應(yīng)加熱器優(yōu)化分析

      由高頻感應(yīng)加熱原理可知,加熱器的功率、加熱器和長(zhǎng)度會(huì)對(duì)螺栓加熱過(guò)程中控制參數(shù)的分布變化產(chǎn)生影響;試驗(yàn)中,加熱器安裝位置不同也會(huì)有顯著差異。因此,選取加熱器的功率、有效加熱長(zhǎng)度、安裝位置作為待優(yōu)化參數(shù),并將加熱棒有效加熱部分三等分布置關(guān)鍵測(cè)點(diǎn),如圖2 所示,分別討論不同參數(shù)對(duì)螺栓的加熱過(guò)程中溫度分布、軸向應(yīng)力變化、內(nèi)外壁溫差、伸長(zhǎng)量曲線的變化影響,針對(duì)典型規(guī)格的螺栓開(kāi)發(fā)出加熱效果最優(yōu)的加熱器尺寸參數(shù),并確定最佳的安裝方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)熱緊螺栓的最優(yōu)加熱。

      圖2 加熱器優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)示意

      2.1 感應(yīng)加熱器功率優(yōu)化

      選取高壓缸中分面5 英寸短粗型螺栓,對(duì)兩種功率進(jìn)行試驗(yàn):第一組感應(yīng)加熱的加熱棒輸入功率為20 kW,環(huán)境溫度19 ℃;第二組感應(yīng)加熱的加熱棒輸入功率為25 kW,環(huán)境溫度17 ℃。加熱棒的輸入電流頻率均保持恒定f=9430 Hz,輸入電壓恒定U=380 V(表1)。

      表1 加熱器及螺栓參數(shù)

      試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖3 所示,隨著感應(yīng)加熱時(shí)間的增加,螺栓內(nèi)壁中心溫度逐漸上升,伸長(zhǎng)量增大。由于螺栓整體溫度在較長(zhǎng)一段時(shí)間平穩(wěn)增長(zhǎng),因此螺栓熱膨脹的過(guò)程相對(duì)平穩(wěn),伸長(zhǎng)量的變化曲線近乎直線。達(dá)到額定伸長(zhǎng)量1.35 mm 時(shí),第二組試驗(yàn)耗時(shí)9 mim,比第一組試驗(yàn)縮短時(shí)間約25%。因此,在條件允許范圍內(nèi),適當(dāng)提高感應(yīng)加熱功率,螺栓伸長(zhǎng)速率更快,達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量所需時(shí)間越短。

      圖3 螺栓伸長(zhǎng)量和溫度隨時(shí)間變化曲線

      2.3 感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度優(yōu)化

      感應(yīng)加熱器的熱生成率直接決定了熱緊螺栓的溫度上升速度與加熱效率,在相同電流密度下,感應(yīng)加熱的熱生成率又與感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。因此,探究不同感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度對(duì)加熱過(guò)程的影響,分析熱緊螺栓的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱器尺寸參數(shù)的選優(yōu)。

      選用M64 戴帽栽絲螺栓(H01.019.001)為試驗(yàn)對(duì)象(圖4),規(guī)格見(jiàn)表2,在相同電流密度下,改變感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)0=0.16 m、0.22 m、0.25 m、0.34 m 和0.37 m,感應(yīng)加熱器中心安裝在螺栓的中心處,加熱過(guò)程中螺栓內(nèi)部的最高溫度不超過(guò)500 ℃,規(guī)定伸長(zhǎng)量為0.71 mm,安全許用應(yīng)力350 MPa,關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的編號(hào)與圖1 相同,不同加熱器有效長(zhǎng)度如圖5 所示。

      表2 M64 戴帽栽絲螺栓規(guī)格信息

      圖4 M64 戴帽栽絲螺栓

      圖5 不同加熱器有效長(zhǎng)度

      試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖6 所示,不同感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度L0下螺栓的伸長(zhǎng)量隨時(shí)間的變化曲線趨勢(shì)基本相同,基本呈線性增長(zhǎng),并在一段加熱時(shí)間后伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)率增大。感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度越長(zhǎng),螺栓伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)率越大,增長(zhǎng)率變化的時(shí)間越早,螺栓達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量(M64 規(guī)格的L0=0.71 mm)的時(shí)間越短。

      圖6 不同加熱器長(zhǎng)度L0 螺栓伸長(zhǎng)量和最高溫度隨時(shí)間變化曲線

      螺栓中心最高溫度在不同電流密度下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本線性增長(zhǎng),且感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度L0越長(zhǎng),熱緊螺栓的最高溫度越大。當(dāng)L0=340 mm 和370 mm 時(shí),熱緊螺栓分別在580 s 和540 s 達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm,此時(shí)螺栓中心最高溫度均不超過(guò)500 ℃,感應(yīng)加熱過(guò)程滿足工程安全要求。

      螺栓的最大熱應(yīng)力在不同感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同(圖7)。在相同時(shí)間內(nèi),螺栓的最大熱應(yīng)力隨著感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度的增大而減小。感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度L0越長(zhǎng),熱緊螺栓的高溫區(qū)域在軸向分布范圍更長(zhǎng),即熱緊螺栓在軸向受熱范圍更大,受熱更均勻;當(dāng)L0較短時(shí),熱緊螺栓在感應(yīng)加熱過(guò)程中受熱不夠均勻,會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。由圖7 可知,即使最短L0=0.16 m,熱緊螺栓的最大熱應(yīng)力也小于350 MPa,小于螺栓材料的屈服極限。

      圖7 不同加熱器長(zhǎng)度下螺栓熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

      2.4 感應(yīng)加熱器安裝位置優(yōu)化

      感應(yīng)加熱棒是插入到汽缸中分面法蘭螺栓中心孔里,實(shí)際安裝可能會(huì)偏上或偏下(圖8),導(dǎo)致螺栓內(nèi)部溫度分布與理想變化規(guī)律不一致,長(zhǎng)期如此可能會(huì)影響螺栓的應(yīng)力分布情況及安全水平。以M64 栽絲螺栓為研究對(duì)象,選取加熱器的有效加熱長(zhǎng)度L0=340 mm,在相同電流密度下,分別選擇安裝高度(t)為0.02 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m 和0.18 m,對(duì)熱緊螺栓進(jìn)行感應(yīng)加熱分析,通過(guò)比較得到感應(yīng)加熱器安裝位置的最優(yōu)選擇。

      圖8 加熱器實(shí)際安裝位置

      試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖9所示,在感應(yīng)加熱過(guò)程中,螺栓的伸長(zhǎng)量基本呈線性增長(zhǎng),并在一段加熱時(shí)間后伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)率增大。安裝高度t 越低,伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)率越大,但是影響較小,從圖中可看出達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm 的時(shí)間相差不大。

      圖9 不同加熱器安裝高度下螺栓伸長(zhǎng)量和中心溫度隨時(shí)間變化曲線

      螺栓的最高溫度在不同安裝高度下隨時(shí)間的變化曲線基本重合。起初,螺栓的最高溫度增長(zhǎng)率較高,隨著時(shí)間的推移,螺栓的最高溫度的增長(zhǎng)率逐漸平穩(wěn),最高溫度逐漸呈線性增長(zhǎng)。在相同加熱時(shí)間內(nèi),安裝高度t 對(duì)熱緊螺栓的最高溫度沒(méi)有影響。達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm基本用時(shí)580 s,此時(shí)不同安裝高度下熱緊螺栓的最高溫度均不超過(guò)500 ℃,感應(yīng)加熱過(guò)程滿足工程安全要求。

      不同感應(yīng)加熱器安裝高度下螺栓最大熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同,如圖10 所示,初期內(nèi)外徑溫差迅速增大,熱應(yīng)力也隨之迅速增大;隨著時(shí)間推移,螺栓的最高溫差趨于平穩(wěn),熱應(yīng)力也逐漸趨于平穩(wěn)。感應(yīng)加熱器的安裝高度t 越接近螺栓中部時(shí),螺栓的高溫區(qū)域在軸向分布范圍更長(zhǎng),即螺栓在軸向受熱范圍更大,受熱也更均勻。因此,在感應(yīng)加熱器的安裝高度較低或者較高時(shí),熱緊螺栓在感應(yīng)加熱過(guò)程中受熱不夠均勻,會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。即便如此,整個(gè)加熱過(guò)程中,螺栓的最大熱應(yīng)力均小于螺栓材料的屈服極限300 MPa。

      圖10 不同加熱器安裝高度下螺栓熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

      3 總結(jié)與應(yīng)用

      通過(guò)對(duì)5″-8UN 雙頭加熱螺栓的功率和材料進(jìn)行試驗(yàn),以及對(duì)螺栓長(zhǎng)度更長(zhǎng)、試驗(yàn)效果更明顯的M64 加熱螺栓進(jìn)行不同加熱棒長(zhǎng)度、安裝高度的試驗(yàn),得出結(jié)論如下:

      (1)在條件允許范圍內(nèi),適當(dāng)提高感應(yīng)加熱功率,或者選用導(dǎo)磁率更高的加熱棒材料,能提高加熱效率,螺栓伸長(zhǎng)速率更快,達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量所需時(shí)間越短。

      (2)感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度越長(zhǎng),熱緊螺栓達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量的時(shí)間越短,熱緊螺栓的最高溫度越大,螺栓的最大熱應(yīng)力越小。

      (3)感應(yīng)加熱器的安裝高度t 對(duì)伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)影響較小,達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量的時(shí)間相差不大,對(duì)螺栓的最高溫度沒(méi)有影響;安裝高度越接近螺栓中部時(shí),螺栓所受熱應(yīng)力越小。

      參照本試驗(yàn)方案對(duì)感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行優(yōu)化,在該電廠210大修中對(duì)汽輪機(jī)低壓缸中分面5″-8UN 雙頭加熱螺栓進(jìn)行驗(yàn)證,加熱時(shí)間比110 大修縮短30%,且沒(méi)有一顆使用大錘強(qiáng)力拆除。同時(shí),將加熱棒安裝要求明確在技術(shù)規(guī)格書(shū)中,規(guī)范了維修現(xiàn)場(chǎng)操作,提升檢修質(zhì)量。

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