CN112847239B - 一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置及方法，属于热处理技术领域，包括计算机、平台、设置在平台上的冷却装置、水槽、固定在所述平台上的机架、设置在机架上的支撑辊、固定在所述平台侧面的竖直电源台、多频感应加热装置、旋转卡盘装置、水平移动装置、半圆形挡板和测温装置。本发明利用不同频率的电流透入深度不同的原理，使套管的内外管有很大的温差，以实现内外管受热后发生不同程度的变形，使得内外管由原来的过盈配合变为间隙配合，最后通过内爪卡盘与半圆形挡板提供的推顶力将内外管分开，减少了材料的浪费。

Description

一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置及方法

技术领域

本发明属于热处理技术领域，尤其涉及一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置及方法。

背景技术

套管在工业领域主要用于石油天然气集输管线、油气井套管、污水回注管线；化工换热器管束；冶金、海水淡化、医药化工、污水处理、新能源、食品加工等行业。套管由外管和与其内壁表面紧密配合的内管所组成的，其外管主要材料是碳钢，负责承压和管道刚性支撑等作用，内管主要材料是合金，承担耐腐蚀、耐磨损等作用。套管的安装是利用热胀冷缩原理，通过喷火加热外管使其受热膨胀，随后将内管放入外管中，等外管冷却后进行收缩而与内管产生过盈配合，从而达到内管外表面强力的嵌合在外管的内表面。

在实际的工业生产活动中，由于内外管的破损，需要经常对套管的内外管进行更换，目前对于套管的拆取所采用的方法是喷火的方式，而使用喷火的方式就不能保证加热区域的透入深度，因而为套管的拆取带来了严重的不便，从而造成了材料极大的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置及方法，利用不同频率的电流透入深度不同的原理，使套管的内外管有很大的温差以实现内外管受热后发生不同程度的变形，使得内外管由原来的过盈配合变为间隙配合，从而将套管的内外管进行分开。

一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置，包括计算机、平台、设置在平台上的冷却装置、固定在平台上用于接住所述冷却装置中喷出的冷却水的水槽、固定在所述平台上的机架、设置在机架上的支撑辊、固定在所述平台侧面的竖直电源台、多频感应加热装置、旋转卡盘装置、水平移动装置、半圆形挡板和测温装置，竖直电源台与计算机电连接；

所述多频感应加热装置包括感应线圈和感应线圈支架，感应线圈支架的一端垂直固定在所述竖直电源台上，另一端固定有所述感应线圈；所述感应线圈位于所述支撑辊的正上方，待拆取的套管放置在支撑辊上，感应线圈左右两端的最低点高度应在待拆取的套管的轴线所在的平面上；

所述旋转卡盘装置设置在移动水平装置中可移动的移动平台上，包括第二电动机、内爪卡盘，内爪卡盘通过传送带与所述第二电动机相连，第二电动机与计算机电连接，内爪卡盘与待拆取的套管同轴设置；

所述测温装置包括测温支架和红外测温摄像头，测温支架固定在所述支撑辊侧面平台上，红外测温摄像头倾斜插设在所述测温支架上，红外测温摄像头的高度要低于套管轴线所在平面；所述红外测温摄像头以无线通讯的方式与计算机相连；

所述半圆形挡板固定在所述平台上且位于所述感应线圈和所述移动平台之间，半圆形挡板的内圆半径大于所述待拆取的套管的内管的最大半径且小于外管的最大半径。

所述支撑辊的数量为两对，每对包括平行设置的两个支撑辊，两对支撑辊前后同轴设置。

所述冷却装置包括冷却水管支架和冷却水管，所述冷却水管支架固定在所述平台上，冷却水管通过连接脚固定在所述冷却水管支架上，冷却水管支架和所述冷却水管插入所述待拆取的套管内部，方便将冷却水喷到所述待拆取的套管的内表面上。

所述水平移动装置还包括滚珠丝杠、导轨、第一电动机、第一固定挡板、第二固定挡板，所述导轨固定在平台上，长度方向沿靠近和远离多频感应加热装置的方向；所述第一固定挡板和第二固定挡板分别固定在导轨两端，所述第一电动机固定在第二固定挡板上，与计算机电连接；所述滚珠丝杠的末端安装在第一固定挡板上，顶端穿过第二固定挡板与第一电动机的输出轴相连；所述移动平台与滚珠丝杠通过螺纹连接。

上述的一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置的拆解方法，包括以下步骤：

S1：确定外管的目标膨胀量，通过目标膨胀量计算温度参数Ti(i＝1，2，3，……，n；n≥3)；确定感应电流透入深度di(i＝1，2，3，……，n；n≥3)，通过感应电流透入深度di计算感应电流的频率fi(i＝1，2，3，……，n；n≥3)；然后在计算机中输入温度参数和感应电流的频率；

S2：将待拆取的套管放到支撑辊上面，计算机向第一电动机发出指令，第一电动机转动，移动平台带动旋转卡盘装置向靠近待拆取的套管方向移动，内爪卡盘移动至待拆取的套管的内管内部，将待拆取的套管内管牢牢卡住；

S3：向冷却水管里通入冷却水，同时计算机向第二电动机发出指令，第二电动机运转带动待拆取的套管进行匀速转动；

S4：计算机向竖直电源台发出指令，向感应线圈通入频率为f1的电流，在频率为f1的电流下进行感应加热，固定在平台侧面的测温装置实时监控外表面的温度T1'，并将结果传输至计算机；

S5：计算机根据所得的温度参数与S1中输入的温度进行比较，当在电流频率为f1下，传输至计算机的温度T1’＜T1时，待拆取的套管继续在该电流频率下进行加热，直至传输至计算机的温度T1’≥T1时，计算机向竖直电源台发出指令，立刻将频率由f1升高至f2继续加热；计算机根据所得的温度参数与S1中输入的温度进行比较，当在电流频率为f2下，传输至计算机的温度T2’＜T2时，待拆取的套管继续在该电流频率下进行加热，直至传输至计算机的温度T2’≥T2时，计算机向竖直电源台发出指令，立刻将频率由f2升高至f3继续加热；重复步骤S5，直至感应电流的频率为fn，计算机根据所得待拆取的套管的表面的温度参数Tn’≥Tn时，停止加热；

S6：在停止加热的同时，计算机向第一电动机发出指令，第一电动机反转，带动旋转卡盘装置向远离感应线圈的方向移动，当待拆取的套管被旋转卡盘装置带动至半圆形挡板位置时，通过内爪卡盘与半圆形挡板提供的推顶力将内外管分开，从而完成套管的拆取。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用电磁感应加热过程中的集肤效应，利用不同频率的电流透入深度不同的原理，使套管的内外管有很大的温差，以实现内外管受热后发生不同程度的热膨胀，使得内外管由原来的过盈配合变为间隙配合，最后通过内爪卡盘与半圆形挡板提供的推顶力将内外管分开，降低成本，减少了材料的浪费；

2、通过准确、高效的改变电流频率，保证在感应加热过程中的快速性及均匀性，避免了可能因受热不均而产生的组织的破坏从而造成外管或内管的报废；

3、采用旋转卡盘装置即可实现加热过程中对套管的固定及旋转加热，又能实现在加热完成后配合水平移动装置和半圆形挡板分别给套管的内外管施加外力从而实现内外管的拆取。

附图说明

图1为本发明套管拆取装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的套管拆解过程中各电流频率下透入深度示意图；

图3为采用本发明进行套管拆解的工作流程图；

其中，

1-感应线圈，2-冷却水管支架，3-冷却水管，4-水槽，5-平台，6-支撑辊，7-机架，8-测温支架，9-红外测温摄像头，10-第一固定挡板，11-移动平台，12-导轨，13-感应线圈支架，14-竖直电源台，15-待拆取的套管，151-外管，152-内管，16-半圆形挡板，17-内爪卡盘，18-第二电动机，19-滚珠丝杠，20-计算机，21-第二固定挡板，22-第一电动机。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。

如图1所示，一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置，包括计算机20、平台5、设置在平台5上的冷却装置、固定在平台5上用于接住所述冷却装置中喷出的冷却水的水槽4、固定在所述平台5上的机架7、设置在机架7上的支撑辊6、固定在所述平台5侧面的竖直电源台14、多频感应加热装置、旋转卡盘装置、水平移动装置、半圆形挡板16和测温装置，竖直电源台14与计算机20电连接；所述多频感应加热装置包括感应线圈1和感应线圈支架13，所述感应线圈支架13的一端垂直固定在所述竖直电源台14上，另一端固定有所述感应线圈1；所述感应线圈1位于所述支撑辊6的正上方；所述支撑辊6的数量为两对，每对包括平行设置的两个支撑辊6，两对支撑辊6前后同轴设置，待拆取的套管15放置在支撑辊6上，感应线圈1左右两端的最低点高度应在待拆取的套管15的轴线所在的平面上；所述旋转卡盘装置设置在移动水平装置中可移动的移动平台11上，包括第二电动机18、内爪卡盘17，所述内爪卡盘17通过传送带与所述第二电动机18相连，第二电动机18与计算机20电连接，内爪卡盘17与待拆取的套管15同轴设置，用于卡住所述待拆取的套管15的内管152，所述第二电动机18带动所述内爪卡盘17旋转从而带动所述待拆取的套管15旋转；所述旋转卡盘装置随移动平台11向靠近和远离多频感应加热装置的方向移动；所述测温装置包括测温支架8和红外测温摄像头9，测温支架8固定在所述支撑辊6侧面平台5上，红外测温摄像头9倾斜插设在所述测温支架8上，红外测温摄像头的高度要低于套管轴线所在平面，倾斜角度保证红外测温摄像头能够检测到套管的外管温度并且传输给计算机；所述红外测温摄像头9以无线通讯的方式与计算机20相连；所述半圆形挡板16固定在所述平台5上且位于所述感应线圈1和所述移动平台11之间，半圆形挡板16的内圆半径大于所述待拆取的套管15的内管152的最大半径且小于外管的最大半径。

所述冷却装置包括冷却水管3支架2和冷却水管3，所述冷却水管3支架2固定在所述平台5上，所述冷却水管3通过连接脚固定在所述冷却水管3支架2上，所述冷却水管3支架2和所述冷却水管3插入所述待拆取的套管15内部，方便将冷却水喷到所述待拆取的套管15的内表面上。

所述水平移动装置还包括滚珠丝杠19、导轨12、第一电动机22、第一固定挡板10、第二固定挡板21，所述导轨12固定在平台5上，长度方向沿靠近和远离多频感应加热装置的方向；所述第一固定挡板10和所述第二固定挡板21分别固定在所述导轨12两端，所述第一电动机22固定在所述第二固定挡板21上，与计算机20电连接；所述滚珠丝杠19的末端安装在所述第一固定挡板10上，顶端穿过所述第二固定挡板21与所述第一电动机22的输出轴相连；所述移动平台与滚珠丝杠通过螺纹连接。所述第一电动机22带动所述滚珠丝杠19旋转，从而使所述移动平台11带动旋转卡盘装置向靠近或远离多频感应加热装置方向移动。当旋转卡盘装置在移动平台11的带动下，向远离感应线圈1方向移动时，所述内爪卡盘17带动待拆取的套管15移动时，当移动至半圆形挡板16处时，外管151的侧面与半圆形挡板16接触，所述半圆形挡板16与内爪卡盘17提供推顶力，从而将内管152外管151分开。

本实施例中以规格尺寸为外管151外径为67mm、内径为63mm、膨胀系数为12*10^-6的碳钢，内管152外径为63mm、内径为55mm、膨胀系数为6*10^-6的硬质合金，长度为1000mm的套管为例，采用上述基于异步多频感应加热的套管拆取装置进行拆解，如图3所示，拆解方法具体包括以下步骤：

S1：确定外管的目标膨胀量，通过目标膨胀量计算温度参数Ti(i＝1，2，3，……，n；n≥3)：本实施例中n＝3；

首先根据目标膨胀量采用热膨胀计算基本公式即公式(1)计算温差△T，通过温差△T计算Ti：

膨胀量＝α*L*△T (1)

其中α为膨胀系数，L为管段总长度，T为温差；

由公式(1)可以得出：

△T＝膨胀量/(α*L) (2)

本实施例中确定外管的目标膨胀量为7.5mm，确保套管的内外管由过盈配合变为间隙配合能够拆取，具体计算如下：

第一阶段是预热阶段，可以将目标膨胀量设定小一些，本实施例中取室温为25℃，预热阶段目标膨胀量为1.5mm，则根据公式(2)可以得出：△T＝125℃，因此T1＝25℃+125℃＝150℃，因此预热阶段的结束温度为150℃；预热阶段过后，第二阶段的目标膨胀量为4mm，通过公式(2)计算可以得出近似值：△T＝330℃，因此T2＝150℃+330℃＝480℃，因此第二阶段结束的温度是480℃；第三阶段的目标膨胀量为2mm，通过公式(2)计算可以得出近似值：

△T＝170℃，因此T3＝480℃+170℃＝650℃，因此结束时温度值是650℃，此时外管的膨胀量达到了7.5mm。

然后在计算机20中输入本实施例的温度参数：T1＝150℃，T2＝480℃，T3＝650℃；

确定感应电流透入深度di(i＝1，2，3，……，n；n≥3)，采用集肤深度近似计算公式即公式(3)通过感应电流透入深度di计算感应电流的频率fi(i＝1，2，3，……，n；n≥3)，其中d1大于外管的壁厚，dn小于外管的壁厚；

ε＝6.62/√f(cm) (3)

其中：f为电路工作频率；

本实施例中外管管壁为2mm、内管管壁为4mm，感应电流的频率fi具体计算如下：

对应上述三个阶段，确定第一阶段感应电流透入深度为d1＝4mm＝0.4cm，第二阶段透入深度为d2＝2mm＝0.2cm，第三阶段透入深度为d3＝1mm＝0.1cm，由公式(3)计算得到：f1＝274Hz，f2＝1095Hz，f3＝4382Hz；然后在计算机20中输入本实施例的感应电流的频率：f1＝274Hz，f2＝1095Hz，f3＝4382Hz。

S2：将待拆取的套管15放到支撑辊6上面，计算机20向第一电动机22发出指令，第一电动机22转动，移动平台11带动旋转卡盘装置向靠近待拆取的套管15方向移动，内爪卡盘移动到内爪卡盘17插入待拆取的套管1520mm的位置处停止，到达位置后内爪卡盘17的卡爪释放将待拆取的套管15内管152牢牢卡住；

S3：向冷却水管3里通入冷却水，同时计算机20向第二电动机18发出指令，第二电动机18运转带动待拆取的套管15进行匀速转动；

S4：计算机20向竖直电源台14发出指令，向感应线圈1通入频率为f1＝274Hz的电流，在频率为f1＝274Hz的电流下进行感应加热，固定在平台5侧面的测温装置实时监控外表面的温度T1'，并将结果传输至计算机20；

S5：计算机20根据所得的温度参数T1’与开始设定的温度T1＝150℃进行比较：当T1’＜T1时，继续在f1＝274Hz下对待拆取的套管15进行加热；当T1’≥T1时，计算机20向竖直电源台14发出指令，立刻将频率由f1＝274Hz升高至f2＝1095Hz继续加热；同样地，测温装置实时监控外表面的温度，并将结果传输至计算机20，重复步骤S5，计算机20根据所得的温度参数T2’与开始设定的温度T2＝480℃进行比较：当T2’＜T2时，继续在f2＝1095Hz下对待拆取的套管15进行加热；当计算机20接收到的温度参数T2’≥T2时，计算机20向竖直电源台14发出指令，频率由f2＝1095Hz升高至f3＝4382Hz继续加热；测温装置实时监控外表面的温度，并将结果传输至计算机20，重复步骤S5，计算机20根据所得的温度参数T3’与开始设定的温度T3＝670℃进行比较：当T3’＜T3时，继续在f3＝4382Hz下对待拆取的套管15进行加热，直至计算机20根据所得待拆取的套管15的表面的温度参数T3’≥T3＝670℃时停止加热；

如图2所示，上述过程利用电磁感应加热过程中的集肤效应，根据不同频率的电流透入深度不同的原理，首先通入频率为f1＝274Hz的电流使透入深度为d1＝4mm，此步骤可以使内外管进行快速的升热以达到前期预热的目的，在测得外表面上的温度达到指定值T1＝150℃时，将电流频率由f1＝274Hz升高至f2＝1095Hz使透入深度为d2＝2mm，在测得外表面的温度到达指定值T2＝480℃时，将电流频率由f2＝1095Hz升高至f3＝4382Hz使透入深度为d3＝1mm，当表面温度达到指定值T3＝670℃时停止感应加热。由于金属材料的热传导，外管151的温度是一个持续升高的过程，而内管152由于通入冷却水的作用，温度将稳定在T1＝150℃范围之内，内外管受热后发生不同程度的热膨胀，内外管由原来的过盈配合变为间隙配合。

S6：在停止加热的同时，计算机20向第一电动机22发出指令，第一电动机22反转，带动滚珠丝杠19转动，带动旋转卡盘装置向远离感应线圈1的方向移动，当待拆取的套管15被旋转卡盘装置带动至半圆形挡板16位置时，半圆形挡板16限制了外管151的移动，内管152继续随旋转卡盘装置移动，内爪卡盘17和半圆形挡板16提供的推顶力将间隙配合的内管152和外管151分开，从而完成套管的拆取。

Claims (4)

1.一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置的拆解方法，其中基于异步多频感应加热的套管拆取装置包括计算机、平台、设置在平台上的冷却装置、固定在平台上用于接住所述冷却装置中喷出的冷却水的水槽、固定在所述平台上的机架、设置在机架上的支撑辊、固定在所述平台侧面的竖直电源台、多频感应加热装置、旋转卡盘装置、水平移动装置、半圆形挡板和测温装置，竖直电源台与计算机电连接；

所述多频感应加热装置包括感应线圈和感应线圈支架，感应线圈支架的一端垂直固定在所述竖直电源台上，另一端固定有所述感应线圈；所述感应线圈位于所述支撑辊的正上方，待拆取的套管放置在支撑辊上，感应线圈左右两端的最低点高度在待拆取的套管的轴线所在的平面上；

所述旋转卡盘装置设置在移动水平装置中可移动的移动平台上，包括第二电动机、内爪卡盘，内爪卡盘通过传送带与所述第二电动机相连，第二电动机与计算机电连接，内爪卡盘与待拆取的套管同轴设置；

所述测温装置包括测温支架和红外测温摄像头，测温支架固定在所述支撑辊侧面平台上，红外测温摄像头倾斜插设在所述测温支架上，红外测温摄像头的高度低于套管轴线所在平面；所述红外测温摄像头以无线通讯的方式与计算机相连；

所述半圆形挡板固定在所述平台上且位于所述感应线圈和所述移动平台之间，半圆形挡板的内圆半径大于所述待拆取的套管的内管的最大半径且小于外管的最大半径；

其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定外管的目标膨胀量，通过目标膨胀量计算温度参数Ti，i=1、2、3、……、n，n≥3；确定感应电流透入深度di，i=1、2、3、……、n，n≥3；通过感应电流透入深度di计算感应电流的频率fi，i=1、2、3、……、n，n≥3；然后在计算机中输入温度参数和感应电流的频率；

S2：将待拆取的套管放到支撑辊上面，计算机向第一电动机发出指令，第一电动机转动，移动平台带动旋转卡盘装置向靠近待拆取的套管方向移动，内爪卡盘移动至待拆取的套管的内管内部，将待拆取的套管内管牢牢卡住；

S3：向冷却水管里通入冷却水，同时计算机向第二电动机发出指令，第二电动机运转带动待拆取的套管进行匀速转动；

S4：计算机向竖直电源台发出指令，向感应线圈通入频率为f1的电流，在频率为f1的电流下进行感应加热，固定在平台侧面的测温装置实时监控外表面的温度T1'，并将结果传输至计算机；

S5：计算机根据所得的温度参数与S1中输入的温度进行比较，当在电流频率为f1下，传输至计算机的温度T1’＜T1时，待拆取的套管继续在该电流频率下进行加热，直至传输至计算机的温度T1’≥T1时，计算机向竖直电源台发出指令，立刻将频率由f1升高至f2继续加热；计算机根据所得的温度参数与S1中输入的温度进行比较，当在电流频率为f2下，传输至计算机的温度T2’＜T2时，待拆取的套管继续在该电流频率下进行加热，直至传输至计算机的温度T2’≥T2时，计算机向竖直电源台发出指令，立刻将频率由f2升高至f3继续加热；重复步骤S5，直至感应电流的频率为fn，计算机根据所得待拆取的套管的表面的温度参数Tn’≥Tn时，停止加热；

S6：在停止加热的同时，计算机向第一电动机发出指令，第一电动机反转，带动旋转卡盘装置向远离感应线圈的方向移动，当待拆取的套管被旋转卡盘装置带动至半圆形挡板位置时，通过内爪卡盘与半圆形挡板提供的推顶力将内外管分开，从而完成套管的拆取。

2.根据权利要求1所述的一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置的拆解方法，其特征在于：所述支撑辊的数量为两对，每对包括平行设置的两个支撑辊，两对支撑辊前后同轴设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置的拆解方法，其特征在于：所述冷却装置包括冷却水管支架和冷却水管，所述冷却水管支架固定在所述平台上，冷却水管通过连接脚固定在所述冷却水管支架上，冷却水管支架和所述冷却水管插入所述待拆取的套管内部，方便将冷却水喷到所述待拆取的套管的内表面上。

4.根据权利要求1所述的一种基于异步多频感应加热的套管拆取装置的拆解方法，其特征在于：所述水平移动装置还包括滚珠丝杠、导轨、第一电动机、第一固定挡板、第二固定挡板，所述导轨固定在平台上，长度方向沿靠近和远离多频感应加热装置的方向；所述第一固定挡板和第二固定挡板分别固定在导轨两端，所述第一电动机固定在第二固定挡板上，与计算机电连接；所述滚珠丝杠的末端安装在第一固定挡板上，顶端穿过第二固定挡板与第一电动机的输出轴相连；所述移动平台与滚珠丝杠通过螺纹连接。

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