CN104694716B - 一种管道焊接热处理中频感应加热工艺及装置 - Google Patents

一种管道焊接热处理中频感应加热工艺及装置 Download PDF

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Abstract

本发明是一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，包括：(一)测量管道外径d和壁厚δ；(二)选择中频电源：中频电源的功率≥P，P＝(d÷δ)1/2×d×δ÷17；(三)计算加热宽度：L×70％≤加热宽度≤L×140％，L＝(d÷δ)1/2×4.5+δ×5.3；(四)将热电偶的热端固定在管道焊缝的温度采样点上；(五)将保温材料包裹在管道焊缝周围；(六)将金属导电体绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈；(七)将中频感应线圈与中频电源连接，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频电源。本发明的工艺热处理效果好，消除残余应力彻底，热处理后焊缝使用寿命是陶瓷电阻加热型的2倍以上，热处理工艺具体，且环保节能。

Description

一种管道焊接热处理中频感应加热工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种焊接热处理工艺，具体说是一种管道焊接热处理中频感应加热工艺及装置，属于管道焊接辅助工艺技术领域。
背景技术
目前我国电站、化工建设中合金管道焊接热处理主要采用陶瓷电阻加热器外加保温棉进行。缺点是管道焊缝内外壁温差过大，焊缝硬度高，韧性差，热处理质量低，焊缝的残余应力大，许多电站因为这种原因使用不到十年焊缝就产生了裂纹，只能割断从新焊接甚至更换整条管道（设计寿命应为30年）。并且该材料完全依赖从日本、美国等地进口，浪费巨大；开采陶瓷矿和瓷件在窑炉烧制过程中排碳和产生的雾霾对环境破坏严重，且不可恢复。易碎和报废的陶瓷无法再回收利用，几乎不会被分解，继而造成二次污染。
少量进口的串联谐振热处理中频电源频率较高，一般在5000Hz以上，且工作过程中频率变化较大，最高达20000多Hz。负载电感量较小，一款35KW中频电源的负载电感量要求在5μH-50μH之间，我国100万千瓦火电的主蒸汽管的外径560mm，管壁厚度达115mm，规程要求感应加热宽度为壁厚的6倍以上，感应线圈最小宽度为690mm，如果满足宽度必加大感应圈的匝间距，会造成工件温度不均匀，且功率小无法满足工艺要求。负载线分布电感不得超过10μH，过大的电感量会降低工件加热功率。并且作业半径小，较远的特殊位置工件无法进行热处理，且进口产品造价较高。而且串联谐振的槽路电感加热器与谐振电容为串联连接，一旦由于干扰丢失一个触发脉冲信号，槽路立即停止震荡，热处理会被迫中断。
化工、电站使用的管材合金含量各异，有高合金P91、P92、X20类也有低合金12Cr1MoV,10CrMo910,15CrMo等，规格各异，管径、壁厚差距很大，有些管径小至Φ219mm或更小，大达Φ1400mm或更大，壁厚从10mm至140mm或更厚，现场施工过程中有时今天做12Cr1MoVΦ273*30mm管，明天就做P92Φ560*120mm管，后天可能做P91Φ1400*30 mm管，如何选择正确的加热功率既不会大牛拉小车以减少不必要浪费，也不会小牛拉大车致温度升不到预定值，热处理无法完成。怎样选择准确的加热宽度即不会过多加热母管，使机械强度降低，也不会加热过窄，使焊缝的内外壁温差大（高合金不应超过30℃），应力消除不彻底，导致热处理不合格，寻求合理的工艺是行业中迫切解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，热处理效果好，消除残余应力彻底，热处理后焊缝使用寿命长，且热处理工艺具体，节能环保。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，对需要进行焊接热处理的管道采用中频感应线圈进行加热热处理，中频感应线圈与中频电源连接，中频感应线圈由金属导电体绕在需要热处理的管道外成弹簧状；本工艺包括以下步骤：
㈠测量需要热处理的管道规格，包括外径d和壁厚δ（长度无限制），其中外径d的单位为cm，壁厚δ的单位为cm；
㈡选择中频电源功率：要求中频电源的功率≥P，其中，P=（d÷δ）1/2×d×δ÷17，单位为KW；
㈢计算需要的加热宽度：L×70%≤加热宽度≤L×140%，其中，L=（d÷δ）1/2×4.5+δ×5.3，单位为cm(需要热处理的管道如果是高合金P91、P92类型可采取正偏差，需要热处理的管道如果是低合金12Cr1MoV、10CrMo910、15CrMo类型可采取负偏差，需要热处理的管道如果是高低合金异种钢连接可采取无偏差计算值)，加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；
㈣固定热电偶：将热电偶的热端固定在管道焊缝的温度采样点上，接触必须良好；
㈤敷设保温层：将保温材料包裹在管道焊缝周围，且保证热电偶的冷端出露出保温层，保温层的宽度大于等于所述加热宽度，保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；
㈥安装中频感应线圈：将金属导电体绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈，加热宽度为所述步骤㈢限定的加热宽度，金属导电体绕在保温层外侧的匝数以及金属导电体的横截面积根据选择的中频电源确定，匝数需与中频电源配套（选择的中频电源说明中有中频感应加热线圈的匝数及感应加热器导电体采用横截面的说明，线圈的质量和技术标准必须满足中频电源和中频感应加热器的要求）；
㈦将中频感应线圈与中频电源连接，并正确连接热电偶补偿导线，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频电源。
为了解决以上技术问题，本申请还提出一种用于上述加热工艺的管道焊接热处理用中频感应加热装置，包括中频感应线圈、中频电源、保温层和热电偶，保温层包裹在需要热处理的管道焊缝周围，热电偶的热端固定在需要热处理的管道焊缝的温度采样点上，冷端位于保温层外，中频感应线圈由金属导电体绕在需要热处理的管道的保温层外侧外成弹簧状，中频感应线圈与中频电源连接；
中频电源的功率≥P，其中，P=（d÷δ）1/2×d×δ÷17，单位为KW，d为需要热处理的管道的外径d，单位为cm，δ为需要热处理的管道的壁厚，单位为cm；
金属导电体绕在需要热处理的管道外形成的中频感应线圈的加热宽度为：L×70%≤加热宽度≤L×140%，其中，L=（d÷δ）1/2×4.5+δ×5.3，单位为cm（高合金P91、P92类型可采取正偏差，低合金12Cr1MoV、10CrMo910、15CrMo类型可采取负偏差，高低合金异种钢连接可采取无偏差计算值），加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；
保温层的宽度大于等于所述加热宽度，所述保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离。
本发明进一步限定的技术方案是：
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈡中，中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400HZ-5000Hz。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈣中，热电偶长度为KL，KL≥1/2L+30cm。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈤中，将保温材料以焊缝为中心包裹在管道焊缝周围上，保温层的宽度为BL，BL≥加热宽度+20cm。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中保温层的厚度为2cm-10cm。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈥中，将金属导电体以焊缝为中心绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈣中，将热电偶的热端采取点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，走向与热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈣中，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK。
前述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其中步骤㈤中，保温材料采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘。
本发明的优点是：解决了电站、化工等合金管道中频感应焊接热处理的施工工艺问题。首先通过测量或已知得到各种大小管道的外径d和壁厚δ（长度无限）通过公式计算及能准确选择中频电源的输出功率，避免了无从参考选择的中频电源功率过低以致热处理工程半途而废，或因功率过大，大牛拉小车浪费资源。焊接热处理主要作用是消除焊缝的残余应力，但是在焊缝热处理的同时也降低了加热区管道母材的应力，导致机械强度下降；如果加热宽度L过窄，会造成焊缝的内外壁温差过大，应力消除不彻底；材质的合金含量不同加热宽度也能区分；通过本发明的加热宽度计算公式，能得出最佳加热宽度值，得到高质量的热处理效果，延长管道的使用寿命。
在本发明的使用效果作试验时，材质为P91，外径d=58cm, δ=8cm（长度1840mm，天气晴，最高气温38℃，地点广州市）实验中，需要加热中频电源功率≥P，P=（58÷8）1/2×58×8÷17=73.5KW,最后选择设备型号为RLPC-7200，中频电源功率80KW，加热宽度L=（58÷8）1/2×4.5+8cm×5.3=54.5cm，正偏差选择确定L=60cm，保温棉厚5cm,宽度BL=60cm+20cm=80cm，热电偶长度KL=60cm÷2+30cm=60cm，经查设备RLPC-7200使用手册，感应加热器导电体采用横截面70mm2铜线，缠绕匝数20匝，升温过程最大输出功率69KW，恒温4小时后，内外壁温差小于30℃，效果非常理想。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，本实施例的需要进行焊接热处理的高合金P92管道外径d=56cm，壁厚δ=10cm；功率计算P=（56÷10）1/2×56×10÷17=77.95KW，因此选择中频电源功率为≥77.95KW，选择的中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400HZ-5000Hz；加热宽度L=（56÷10）1/2×4.5+10×5.3=63.64cm，加热宽度L可以在其＋40%范围之内根据实际需要选择，加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；保温层的宽度BL≥63.6cm+20cm=83.6 cm，保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，保温层的厚度为2cm-10cm；热电偶长度KL≥63.6cm÷2+30cm=61.8cm，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK。
具体操作时：
将热电偶的热端采取点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，走向与热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直，接触必须良好，冷端设置在保温棉外侧，热电偶长度需满足以上要求；
敷设保温层：将保温材料以焊缝为中心包裹在管道焊缝周围，且保证热电偶的冷端出露出保温层，保温层的宽度和厚度需满足以上要求，保温材料采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘；
安装中频感应线圈：将金属导电体以焊缝为中心绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈，加热宽度需满足以上要求，金属导电体绕在保温层外侧的匝数以及金属导电体的横截面积根据选择的中频电源确定，匝数需与中频电源配套（选择的中频电源说明中有中频感应加热线圈的匝数及感应加热器导电体采用横截面的说明，线圈的质量和技术标准必须满足中频电源和中频感应加热器的要求）；
将中频感应线圈与中频电源连接，并正确连接热电偶补偿导线，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频输入电源。
实施例2
本实施例是一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，本实施例的需要进行焊接热处理的低合金12Cr1MoV管道外径d=91.4cm, 壁厚δ=3.9cm；功率计算P=（91.4÷3.9）1/2×91.4×3.9÷17=101.5KW，因此选择中频电源功率为≥101.5KW，选择的中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400HZ-5000Hz；加热宽度L=（91.4÷3.9）1/2×4.5+3.9×5.3=42.45cm，加热宽度L可以在其-30%范围之内根据实际需要选择，加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；保温层的宽度BL≥42.45cm+20cm=62.45cm，保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，保温层的厚度为2cm-10cm；热电偶长度KL≥42.45cm÷2+30cm=51.23cm，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK。
具体操作时：
将热电偶的热端采取点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，走向与热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直，接触必须良好，冷端设置在保温棉外侧，热电偶长度需满足以上要求；
敷设保温层：将保温材料以焊缝为中心包裹在管道焊缝周围，且保证热电偶的冷端出露出保温层，保温层的宽度和厚度需满足以上要求，保温材料采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘；
安装中频感应线圈：将金属导电体以焊缝为中心绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈，加热宽度需满足以上要求，金属导电体绕在保温层外侧的匝数以及金属导电体的横截面积根据选择的中频电源确定，匝数需与中频电源配套（选择的中频电源说明中有中频感应加热线圈的匝数及感应加热器导电体采用横截面的说明，线圈的质量和技术标准必须满足中频电源和中频感应加热器的要求）；
将中频感应线圈与中频电源连接，并正确连接热电偶补偿导线，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频输入电源。
实施例3
本实施例是一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，本实施例的需要进行焊接热处理的是高合金P91和低合金12Cr1MoV异种钢连接管道外径d=32.4cm, 壁厚δ=4cm；功率计算P=（32.4÷4）1/2×32.4×4÷17=21.7KW，因此选择中频电源功率为≥21.7KW，选择的中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400HZ—5000Hz；加热宽度L=（32.4÷4）1/2×4.5+4×5.3=34cm，加热宽度L可以不做偏差选择，加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；保温层的宽度BL≥34cm+20cm=54cm，保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离，保温层的厚度为2cm-10cm；热电偶长度KL≥34cm÷2+30cm=47cm，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK。
具体操作时：
将热电偶的热端采取点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，走向与热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直，接触必须良好，冷端设置在保温棉外侧，热电偶长度需满足以上要求；
敷设保温层：将保温材料以焊缝为中心包裹在管道焊缝周围，且保证热电偶的冷端出露出保温层，保温层的宽度和厚度需满足以上要求，保温材料采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘；
安装中频感应线圈：将金属导电体以焊缝为中心绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈，加热宽度需满足以上要求，金属导电体绕在保温层外侧的匝数以及金属导电体的横截面积根据选择的中频电源确定，匝数需与中频电源配套（选择的中频电源说明中有中频感应加热线圈的匝数及感应加热器导电体采用横截面的说明，线圈的质量和技术标准必须满足中频电源和中频感应加热器的要求）；
将中频感应线圈与中频电源连接，并正确连接热电偶补偿导线，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频输入电源。
实施例4
本实施例是一种用于实施例1-3工艺的管道焊接热处理中频感应加热装置，如图1所示，包括中频感应线圈、中频电源、保温层和热电偶，保温层包裹在需要热处理的管道焊缝周围，热电偶的热端固定在需要热处理的管道焊缝的温度采样点上，冷端位于保温层外，中频感应线圈由金属导电体绕在需要热处理的管道的保温层外侧外成弹簧状，中频感应线圈与中频电源连接。
其中中频电源的功率≥P，其中，P=（d÷δ）1/2×d×δ÷17，单位为KW，d为需要热处理的管道的外径d，单位为cm，δ为需要热处理的管道的壁厚，单位为cm；金属导电体绕在需要热处理的管道外形成的中频感应线圈的加热宽度为：L×70%≤加热宽度≤L×140%，其中，L=（d÷δ）1/2×4.5+δ×5.3，单位为cm，高合金P91、P92类型可采取正偏差，低合金12Cr1MoV、10CrMo910、15CrMo类型可采取负偏差，高低合金异种钢连接可采取无偏差计算值,加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；保温层的宽度大于等于加热宽度，保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离。
具体实施时，要求中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400Hz-5000Hz；热电偶的长度为KL，KL≥1/2L+30cm；保温层以焊缝为中心包裹在需要热处理的管道焊缝周围，保温层的宽度为BL，BL≥加热宽度+20cm，保温层的厚度为2cm-10cm；金属导电体以焊缝为中心绕在需要热处理的管道的保温层外侧外成弹簧状；热电偶的热端通过点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，热电偶的走向与需热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK；保温层采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘。
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种管道焊接热处理中频感应加热工艺，对需要进行焊接热处理的管道采用中频感应线圈进行加热热处理，所述中频感应线圈与中频电源连接，所述中频感应线圈由金属导电体绕在需要热处理的管道外成弹簧状；包括以下步骤：
㈠测量需要热处理的管道规格：包括外径d和壁厚δ，其中外径d的单位为cm，壁厚δ的单位为cm；
㈡选择中频电源；
㈢计算需要的加热宽度；
㈣固定热电偶：将热电偶的热端固定在管道焊缝的温度采样点上，接触必须良好；
㈤敷设保温层：将保温材料包裹在管道焊缝周围，且保证热电偶的冷端处露出保温层，所述保温层的宽度大于等于所述加热宽度，所述保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；
㈥安装中频感应线圈：将金属导电体绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈，加热宽度为所述步骤㈢限定的加热宽度，金属导电体绕在保温层外侧的匝数以及金属导电体的横截面积根据选择的中频电源确定，需与中频电源配套；
㈦将中频感应线圈与中频电源连接，并正确连接热电偶补偿导线，启动运行中频电源进行热处理，整个热处理结束后关断中频电源；
其特征在于：其中：
所述中频电源的功率≥P，其中，P＝(d÷δ)1/2×d×δ÷17，单位为KW；
所述加热宽度：L×70％≤加热宽度≤L×140％，其中，L＝(d÷δ)1/2×4.5+δ×5.3，单位为cm，所述加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离。
2.如权利要求1所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈡中，中频电源具有温度自动控制功能，输出电源频率为400Hz-5000Hz。
3.如权利要求1所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈣中，热电偶长度为KL，KL≥1/2L+30cm。
4.如权利要求1所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈤中，将保温材料以焊缝为中心包裹在管道焊缝周围上，所述保温层的宽度为BL，BL≥加热宽度+20cm。
5.如权利要求4所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述保温层的厚度为2cm-10cm。
6.如权利要求1所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈥中，将金属导电体以焊缝为中心绕在保温层外侧形成弹簧状的中频感应线圈。
7.如权利要求1或3所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈣中，将热电偶的热端采取点焊或铁丝捆扎的方式固定在焊缝的温度采样点上，走向与热处理的管道平行且与中频感应线圈垂直。
8.如权利要求7所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈣中，热电偶采用K分度热电偶，材质为镍铬镍硅或镍铬镍铝，型号选用WRN或WRNK。
9.如权利要求1或4或5所述的管道焊接热处理中频感应加热工艺，其特征在于：所述步骤㈤中，保温材料采用玻璃丝带或铁丝捆绑，当采用铁丝捆绑时，需将铁丝与感应线圈进行隔热与绝缘。
10.用于权利要求1所述加热工艺的管道焊接热处理用中频感应加热装置，其特征在于：包括中频感应线圈、中频电源、保温层和热电偶，所述保温层包裹在需要热处理的管道焊缝周围，所述热电偶的热端固定在需要热处理的管道焊缝的温度采样点上，冷端位于保温层外，所述中频感应线圈由金属导电体绕在需要热处理的管道的保温层外侧外成弹簧状，所述中频感应线圈与中频电源连接；
所述中频电源的功率≥P，其中，P＝(d÷δ)1/2×d×δ÷17，单位为KW，d为需要热处理的管道的外径d，单位为cm，δ为需要热处理的管道的壁厚，单位为cm；
所述金属导电体绕在需要热处理的管道外形成的中频感应线圈的加热宽度为：L×70％≤加热宽度≤L×140％，其中，L＝(d÷δ)1/2×4.5+δ×5.3，单位为cm，所述加热宽度为中频感应线圈形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离；
所述保温层的宽度大于等于所述加热宽度，所述保温层的宽度为保温材料包裹在管道上形成的圆柱体的底面至顶面的垂直距离。
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