CN103878507B - Ap1000蒸发器管板电磁感应加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AP1000蒸发器管板的电磁感应加热方法，包括：（1）计算管板加热至期望温度的热容量，使管板获得由电磁感应加热电缆与管板间的电磁感应所产生的热量值；（2）确定电磁感应加热电源功率和电缆规格；（3）设计制作工装；（4）在管板非焊接表面安装热电偶和感应加热电缆，在管板焊接表面加装保温层；（5）加热管板；（6）焊接期间对管板进行保温和焊接完成后对管板进行后热处理。通过本发明方法可以快速、均匀地加热管板至预定温度，并能在期望温度保温，显著缩短达到预定温度的时间，而且管板工件不同部位之间的温度均匀，温差较小，大大降低了能量消耗，简化工序，节约成本。

Description

AP1000蒸发器管板电磁感应加热方法

技术领域

本发明涉及电磁感应加热方法，具体涉及AP1000蒸发器管板电磁感应加热方法。

背景技术

AP1000蒸汽发生器是第三代压水堆核电站的主要设备。管板是蒸汽发生器的关键部件，属于核安全一级部件。AP1000蒸汽发生器管板材质为SA-508Gr3Cl2，材料焊接时具有较强的冷裂纹倾向，需要通过焊前预热、焊接过程中维持温度和焊后立即后热，避免裂纹的产生。

核电大型工件通常所用的加热方法是利用燃气火焰喷烧工件或在热处理炉中加热，维持工件温度多采用燃气喷烧工件非焊接表面的方法，缺点在于热量散失严重，浪费能源；工件表面温度不易控制，容易造成局部温度过高而影响工件性能；热量向环境辐射，操作者工作环境差。

AP1000蒸汽发生器管板的直径Φ4428，厚度800mm，重量约105吨，管板堆焊时，工件整体的温度应维持在150-250℃之间，焊接中断或焊接结束后需经250-350℃的4小时后热处理方可冷却到室温。完成全部堆焊工作用时约30天。耗时长，效率低，能量消耗大，散失严重，而且工件受热不均，不同位置的温差可能高达上百度，热辐射和CO、O₂等有害气体使操作环境变坏，对焊工的健康造成不利影响。

随着核电站应用范围和发展力度的加大，对于第三代压水堆核电站核心设备AP1000蒸汽发生器的制造，急需能快速、均匀加热其管板的方法。

目前，尚未有通过电磁感应加热AP1000蒸汽发生器管板的报道。

发明内容

为了克服上述不足，本发明人经过锐意研究发现，通过电磁感应加热方式加热AP1000蒸汽发生器的管板，通过在管板上设定工装固定功率和电流适当的电磁感应加热电缆，可以快速、均匀地加热管板至预定温度，并能在期望温度下保温，显著缩短达到预定温度的时间，而且管板工件不同部位之间的温度很均匀，温差较小，大大降低了能量消耗，节约成本。

本发明的目的在于提供一种AP1000蒸发器管板的电磁感应加热方法，该方法包括以下步骤：

（1）计算加热管板加热至期望温度的热容量，由此获得电磁感应加热电缆产生的热量

热容量=管板重量×比热容×（期望加热到的温度-开始加热的温度）式（1）

其中，比热容为管板的比热容，由管板材质决定

电磁感应加热的热量=k×热容量式（2）

其中，k为无量纲系数，根据能量的利用效率和过程中的热量散失，经试验确定取值1.3-1.5

（2）确定电磁感应加热电源功率和电缆规格

首先计算一定时间加热某个工件至要求温度所需要的功率。根据计算功率选择电源功率。例如，电源输出功率为20KW-240KW，管板的电磁感应加热电源选择功率为80KW，输出功率可调范围0~100%。根据需要可选择1台或多台电源，如选择8台电源，功率共计640KW。

优选在生产中使用的是中频电源，输出的频率范围是1KHZ-100KHZ。

在优选的生产实践中，电源有两个主要的控温方式，即恒功率输出和恒电流输出。对于恒功率输出，输出功率一般设置为20~50KW，对于恒电流输出，输出电流一般设置为100~150A。

目前常用的电磁感应电缆与普通的铜制线缆不同，该电缆内部的每股铜线之间的绝缘隔热措施处理得很好，因此具有良好的耐热性能，在预热和后热温度范围内可长时间工作，特别适于用于本发明。

特别地，对于高温电磁感应加热电缆的规格，根据加热温度和加热功率确定使用可耐最高温度不低于500℃的电缆，额定电流100-200A，最优选200A，电缆长度按照工件形状和工装需要确定为15-30米，电缆外皮耐高温并可靠绝缘。

（3）设计制作工装

根据AP1000蒸汽发生器管板的结构特点，管板分为焊接面和非焊接面，焊接面一般在管板上表面，非焊接面包括管板下表面和侧面。对焊接面加保温层，减少热量散失，在非焊接面布置加热电缆，因此工装包括三部分：第一部分是焊接表面的保温工装，第二部分用来固定管板侧面的加热电缆，第三部分用来支撑和固定管板底部的加热电缆。

（4）在管板非焊接表面安装热电偶和感应加热电缆，在管板焊接表面加装保温层

管板的上表面是焊接表面，其余为非焊接表面。具体地，在非焊接表面上先焊接热电偶，以测量、控制加热温度，每一条感应加热电缆配置至少一只热电偶，以控制加热电缆的接通和断开。为提高加热效率，确保加热效果，感应加热电缆紧贴管板表面加装，如电缆离工件表面超过50mm，会使工件内的磁场强度明显下降，无法有效加热工件。

（5）加热管板

接通感应加热电源，使感应电流流经感应电缆开始加热，控制工件表面的最高温度，使得管板最高温度比要求达到的最低温度至少高50℃，管板表面最低温度超过要求达到的最低温度（最低预热温度）。

（6）焊接期间对管板进行保温和焊接完成后对管板进行后热处理

在焊接过程中，通过设置于管板下表面和侧面的电磁感应加热电缆对管板进行加热保温。

当焊接完成后，对管板进行后热处理，使其温度在300-350℃，达到该温度后，保温4-4.5小时。

根据本发明提供的电磁感应加热方法，能快速、均匀、高效地将管板加热到期望温度并保温，节约能源、节约时间，进而节约成本。以一块管板计，在预热、焊接和后热处理期间，与燃气加热相比，使用本发明的电磁感应加热方法能节约成本约人民币50.44万元。此外，用燃气加热的管板，加热区域和焊接区域的温差可高达上百度，而使用本发明的电磁感应加热方法加热的管板，加热区域和焊接区域的温差可控制在50℃以内，不仅避免了不必要的能源消耗，而且降低了热量损失。再者，通过焊接表面设置的保温层，可以有效防止加热管板的热量散失，提供能量利用度，而使用燃气加热的方式，根本无法设置使用保温层，受热管板暴露于环境空气中，大量热量散失。再者，通过选择适当规格（如功率、电流等）的电磁感应加热电缆，将其均匀分布于管板的非焊接表面如下表面和侧面上，能将管板均匀、高效加热。

附图说明

图1示出AP1000蒸汽发生器管板的结构示意图。

图2示出管板下表面的加热电缆工装结构示意图。

附图标记说明：

1-管板上表面

2-管板侧面

3-管板下表面

31-工装底板

32-固定板

4-电磁感应加热电缆

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的特点和优点将随着这些描述变得更为清楚、明确。

在本文中，“电磁感应加热电缆”和“感应加热电缆”意思相同，可互换使用。

在本文中，“管板”的意思是指AP1000蒸汽发生器（蒸发器）的管板。

步骤（1）

在根据本发明的方法中，步骤（1）的目的在于确定被加热管板的热容量，由此获得电磁感应加热电缆需要产生的热量值，据此确定电磁感应加热电源和电缆规格，如输出功率、额定电流、电缆尺寸等。

根据管板的材质、要加热到的期望温度，根据上述式（1）能容易地计算出管板热容量的理论值。在上述式（1）中，管板重量可以测得，管板比热容可以根据管板材质确定或测得，所述加热到的温度是指管板非焊接面（如下表面）要加热到的温度。

不过，在实践中，由于加热效率、热量散失等原因，电磁感应加热电缆产生的热量显然应高于管板热容量的理论值。由上述式（2）获得磁感应加热电缆产生的热量。

在根据本发明的方法中，在全部的加热、焊接和后热处理过程中，用于加热管板的电磁感应加热电缆一直通过工装设置于管板表面上。管板表面分为待焊接表面（焊接面）和非焊接表面（非焊接面），其中，待焊接表面由于需要进行焊接作业而不适于设置电磁感应加热电缆，而非焊接表面由于不进行焊接作业而始终设置电磁感应加热电缆。焊接通常在管板上表面进行，因此，管板上表面为焊接表面，管板下表面和侧面为非焊接表面。也就是说，在本发明中，管板是在底部和侧面加热，而上表面并不加热。因此，对上表面采取的保温措施非常重要，这直接关系到管板加热所需的热量、热量散失度以及加热效率。

在实践中，我们进行了多次试验，发现对于单块的AP1000蒸汽发生器管板而言，加热至期望的温度时，电磁感应加热电缆产生的热量为管板的热容量理论计算值的1.3-1.5倍，优选地，电磁感应加热电缆产生的热量为管板的热容量理论计算值的约1.5倍，这样充分考虑了能量利用率和热量散失，确保加热至期望的温度。

AP1000蒸汽发生器管板的直径Φ4428，厚度800mm，重量约105吨。为了进行管板堆焊，要求管板焊接面附近的温度在150℃以上，一般在150-200℃之间，此时管板非焊接面如下表面或侧面的温度在200℃以上，一般在200-250℃之间，达到此温度时，才能进行焊接。

步骤（2）

在根据本发明的方法中，步骤（2）的目的在于根据步骤（1）中得到的电磁感应使管板产生的热量结果、期望的加热时间来确定电磁感应电源功率和电磁感应加热电源和电缆的规格。

在实践中，我们进行了多次试验，发现对于单块的AP1000蒸汽发生器管板而言，加热时间一般在10-15小时左右为佳，10小时为最佳。由此，可以确定电磁感应加热功率。

高温电磁感应加热电缆的规格，根据加热温度和加热功率确定使用可耐最高温度不低于500℃的电缆，额定电流200A，电缆长度按照工件形状和工装需要确定为15-30米，电缆外皮耐高温并可靠绝缘。

在优选的实施方式中，以管板从50℃升温至350℃为例，

管板重量=106×10³Kg

比热容=460J/Kg·K

温度差=300K

按式（1）计算得热容量为：1.46×10⁹J

按式（2）计算需要电磁感应产生的热量（k为1.5）：

2.19×10⁹J

在10小时内使管板温度升高300度（从50℃加热至350℃），需要加热功率：

2.19×10⁹J÷10×3600S=610KW

在10小时内使管板温度升高300度，应使用的电源总输出功率应不小于610千瓦，按照每台电源80千瓦计，需要8台电源同时加热。电源的功率可在0-100%连续可调，实现加热和保温。

步骤（3）

在根据本发明的方法中，步骤（3）的目的在于设置适于管板加热、保温的工装。

根据AP1000蒸汽发生器管板的结构特点，管板分为焊接面和非焊接面，焊接面一般在管板上表面，非焊接面包括管板下表面和侧面，焊接面不能加热而需要保温，非焊接面可以加热，因此工装包括三部分：第一部分用来固定焊接表面的保温层，第二部分用来固定管板侧面的加热电缆，第三部分用来支撑和固定管板下表面的加热电缆。

具体地，第一部分保温工装是支撑工装，其用于支撑保温层。优选的工装包括工装底板和其上竖直设置的支撑板，工装底板装卡于管板之下，支撑板装卡于管板外围，支撑板顶部高出管板上表面，以便支撑保温层。

第二部分固定加热电缆工装是固定工装，用于固定管板侧面的电磁感应加热电缆。优选的工装包括工装底板和其上设置的固定板，电磁感应加热电缆通过固定板固定于工装底板上。由于管板侧面为圆柱侧面，具有一定弧度，因此可以在管板侧面上设置多个工装，以便使得电磁感应加热电缆均匀分布于管板侧面上。固定板可以相互平行或交叉，不过从均匀布设电磁感应加热电缆的角度而言，优选固定板之间相互平行。

第三部分支撑和固定加热电缆工装是固定工装，用于固定管板下表面的加热电缆。工装包括工装支撑架、工装底板，支撑架上设置固定板，电磁感应加热电缆通过固定板固定于工装底板上。由于管板下表面很大，可以在管板下表面设置多个工装，以便使得电磁感应加热电缆均匀、牢固地分布于管板下表面上。固定板可以相互平行或交叉，从均匀布设电磁感应加热电缆的角度而言，优选固定板之间相互平行。

步骤（4）

在根据本发明的方法中，步骤（4）的目的是在上述第一部分工装内装设保温层如保温毯，在上述第二部分和第三部分工装内装设热电偶和感应加热电缆，以便对管板进行加热、保温。

具体地，在非焊接表面上先焊接热电偶，以测量、控制加热温度，每一条感应加热电缆配置至少一只热电偶，以控制加热电缆的接通和断开。为提高加热效率，确保加热效果，感应加热电缆紧贴管板表面加装，如电缆离工件表面超过50mm，会使工件的磁场明显降低，无法有效加热工件。

一条感应加热电缆可以均匀布设于一个工装内，也可以均匀布设于多个工装内；一个工装内可以均匀布设一条感应加热电缆，也可以均匀布设多条感应加热电缆，只要使得感应加热电缆均匀布设于管板的非焊接表面上即可。

热电偶用于测量被加热的管板非焊接表面的温度，当温度超过预先设置的温度时，断开电磁感应加热电缆的电源，当温度低于预先设置的温度时，接通电磁感应加热电缆的电源，该功能可以通过自动控温装置实现。

由于在管板的非焊接表面安装固定工装并布设感应加热电缆，因此不方便手动测量管板的非焊接表面温度，通过热电偶可以方便、容易地实时测量并实现自动控制。而在管板的焊接表面上，由于需要进行焊接作业，因此不能使用固定设置的热电偶测量温度，而适于通过手动方式即时测量温度。

在非焊接面上包覆20-30mm厚的保温层的同时，安装固定工装并布设电磁感应加热电缆，以防止热量散失。

管板上有多种附件，如吊耳、支撑和卡块等，加装感应加热电缆时，应避开上述附件。

步骤（5）

在根据本发明的方法中，步骤（5）的目的是对管板进行加热，直至达到期望的温度，以便对管板进行焊接。

接通感应加热电源，感应加热电缆开始加热。通过热电偶，自动测量、控制、记录温度，测量管板的非焊接表面温度。控制管板非焊接表面的最高温度，使得最高温度比要求达到的最低温度至少高50℃。这是因为，根据我们的实验结果发现，对于通过电磁感应电缆加热的管板，其温度最高处（管板制备被电磁感应加热电缆加热的非焊接表面）的温度比温度最低处（管板的焊接表面）温度高出不超过50℃，因此控制最高温度比要求达到的最低温度至少高50℃，能满足最低温度处的温度也在要求达到的最低温度以上。这样，整个管板都处于适于焊接的温度。

在加热过程中，记录管板非焊接表面时间-温度曲线，以监控管板在加热期间的温度变化，防止温度升高或温度过低。手动测量管板焊接表面温度，当管板焊接表面温度超过最低预热温度后，去除管板焊接表面的保温层，清理，达到清洁度要求后开始焊接。

步骤（6）

在本发明的方法中，步骤（6）的目的是在焊接过程中对管板保温以及在焊接完成后对管板进行后热处理。

在管板的最低温度（焊接侧表面温度）达到要求达到最低预热温度时，开始焊接。在焊接过程中，通过设置于管板下表面和侧面的电磁感应加热电缆维持管板不低于预热保温，管板非焊接面温度通过自动控制装置控制的电磁感应加热电源的通断，一直维持管板温度在150-200℃之间，管板焊接面温度通过手动测量。

中途停焊或焊接工作完成后，通过自动控温装置控制电磁感应加热电缆，使得管板非焊接面温度在300-350℃，达到该温度后，自动保温4-4.5小时。

对于一块管板而言，完成全部焊接工作所需的时间约30天，这期间，使用电磁感应维持管板温度，能够保证管板的温度均匀，管板上任何一点的温度不超过350℃。

按已有经验，采用燃气火焰加热方法在加热阶段需要15天左右，热处理炉中加热需要保温20小时，使用电磁感应加热仅需要10小时，显著节约加热时间。计算结果显示，每焊接一块管板，使用电磁感应加热，比使用燃气加热，节约能源成本折合人民币50.44万元。用燃气火焰维持温度，工件达到预热温度后的不同位置的温度差可能上百度，使用电磁感应加热工件时，加热区域与焊接区域的温度差可以控制在50℃以内。

以上通过优选的具体实施方式对本发明进行了范例性说明。不过需要声明的是，这些具体实施方式仅是对本发明的阐述性解释，并不对本发明的保护范围构成任何限制，在不超出本发明精神和保护范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明技术内容及其实施方式进行各种改进、等价替换或修饰，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种AP1000蒸发器管板的电磁感应加热方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据下式(1)，计算加热管板加热至期望温度的热容量，

热容量＝管板重量×比热容×(期望加热到的温度-开始加热的温度)式(1)

其中，比热容为管板材料的比热容，

根据下式(2)，获得电磁感应加热电缆与管板间感应产生的热量

电磁感应热量＝k×热容量式(2)

其中，k为无量纲系数，在1.3-1.5范围内

(2)确定电磁感应加热电源功率和电缆规格；

(3)设计制作工装，工装包括三部分：第一部分用来固定焊接表面的保温工装，第二部分用来固定管板侧面的加热电缆，第三部分用来支撑和固定管板下表面的加热电缆；

(4)在管板非焊接表面安装热电偶和感应加热电缆，在管板焊接表面加装保温层；

(5)加热管板，使得管板最高温度比要求达到的最低温度至少高50℃，管板表面最低温度超过要求达到的最低温度；

(6)焊接期间对管板进行保温和焊接完成后对管板进行后热。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，电磁感应高温加热电缆允许的使用温度不低于500℃，额定电流为200A，电缆长度15-30米，电缆工作时的功率与电源相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(3)中，第一部分保温工装包括工装底板和其上竖直设置的支撑板，工装底板装卡于管板之下，支撑板装卡于管板外围，支撑板顶部高出管板上表面，以便支撑保温层。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(3)中，第二部分固定加热电缆工装包括工装底板和其上设置的固定板，电磁感应加热电缆通过固定板固定于工装底板上。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(3)中，第三部分支撑和固定加热电缆工装包括工装支撑架，工装支撑架上设置工装底板，支撑架上设置固定板，电磁感应加热电缆通过固定板固定于工装底板上。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(4)中，每一条感应加热电缆配置至少一只热电偶。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(6)中，在焊接过程中，管板焊接面温度维持在150-200℃之间。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在步骤(6)中，焊接完成后，通过电磁感应加热电缆加热管板，使得管板整体温度在300-350℃，达到该温度后，保温4-4.5小时。