CN114941056A - 一种在役部件现场电脉冲缓解装置及缓解方法 - Google Patents

一种在役部件现场电脉冲缓解装置及缓解方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在役部件现场电脉冲缓解装置，其特征在于，包括用于对待缓解部件进行感应加热的加热机构、用于对待缓解部件加载脉冲电流的加载机构，所述加热机构包括绕设在待缓解部件外的线圈以及与所述线圈电性连接的交流电流模块，所述加载机构包括贴合在待缓解部件外周的贴片以及与所述贴片电性连接的脉冲电流模块，所述贴片位于待缓解部件的两端部。本发明的现场电脉冲缓解装置，结构设计合理，通过加热机构对在役部件加热，加热保温温度可达1000℃以上，通过加载机构对在役部件施加长时间的电脉冲，实现材料机械性能的恢复缓解；装置结构简单、操作方便，缓解方法简单稳定，效果优异。

Description

一种在役部件现场电脉冲缓解装置及缓解方法
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及工程现场金属材料电脉冲性能缓解装置及缓解方法，适用于核电厂、火电厂和石油化工等在役设备部件金属材料的机械性能缓解。
背景技术
核电厂、火电厂和石油化工等设备部件，在长期服役、尤其是高温服役环境下会产生不同程度的损伤，具体表现为硬度、抗拉强度提高，而材料韧性严重下降，降低材料临界裂纹尺寸、提高韧-脆转变温度，将严重威胁在役部件结构完整性。为确保在役部件长寿期安全连续运行、提高在役部件的使用寿命，有必要开展在役部件材料的机械性能缓解处理。
目前，针对在役部件金属材料的缓解处理主要局限于高温退火热处理，虽然通过在远高于服役温度下的现场退火热处理，可以实现在役部件金属材料的性能缓解、机械性能得到一定程度的改善，但是高温热处理(通常高于服役温度至少200℃以上)也带来了一些其它潜在的问题：比如升温环境下在役部件会变软和变形，有些变形在部件恢复到服役温度后可能无法恢复原样从而造成应力分布改变，形成潜在的使用风险；升温处理还可能引起其他元素发生偏析、其他劣化相析出等现象，对在役部件后续服役存在安全隐患。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种能够在服役温度下对在役部件进行现场电脉冲机械性能缓解的装置。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种在役部件现场电脉冲缓解装置，其特征在于，包括用于对待缓解部件进行感应加热的加热机构、用于对待缓解部件加载脉冲电流的加载机构，所述加热机构包括绕设在待缓解部件外的线圈以及与所述线圈电性连接的交流电流模块，所述加载机构包括贴合在待缓解部件外周的贴片以及与所述贴片电性连接的脉冲电流模块，所述贴片位于待缓解部件的两端部。在一些实施例中，设置有电流发生机构，其包括了交流电流模块和脉冲电流模块，其中交流电流模块与线圈的两端电性连接，脉冲电流模块与贴片电性连接。贴片可以采用金属片直接与在役部件的待缓解部分金属接触，或采取夹持的形式夹持在在役部件上，且线圈的两侧均设置有一套贴片以实现在待缓解部件上加载脉冲电流；每一套贴片内的多个贴片均匀间隔设置在在役部件的周向上。
交流电流模块与线圈连接，用于产生交流磁场进而感应加热在役部件，加热温度可达1000℃以上。脉冲电流模块通过高温夹持贴片与在役部件连接，高温夹持贴片优选为四点式，可在部件上施加均匀脉冲电流。
根据本发明的一些优选实施方面，包括用于对待缓解部件进行温度监测的测温机构，所述交流电流模块用于根据所述测温机构反馈的温度信号控制对所述线圈的电流加载。在一些实施例中，测温机构与电流发生机构信号连接。电流发生机构中的交流电流模块可根据测温机构反馈的测试温度与设定温度之间的结果实时调整交流电流模块参数，改变感应加热的交流磁场，进而达到精确保温、控温的目的，可以使得在役部件温度梯度低于±3℃。
根据本发明的一些优选实施方面，所述测温机构为红外测温仪。
根据本发明的一些优选实施方面，所述线圈的轴心线与待缓解部件的轴心线重合。具体的，可根据现场情况和在役部件的外形将线圈均匀绕制在部件外围，使得线圈与在役部件轴心线(中心线)重合，但不与在役部件直接接触，实现在役部件的均匀加热，并通过交流磁场感应加热在役部件至服役温度。即在役部件(的待缓解部分)可以是异形，材料可以是不锈钢、低合金钢等。
根据本发明的一些优选实施方面，所述交流电流模块与所述线圈之间以及所述脉冲电流模块与所述高温夹持机构之间采用耐高温云母线进行连接。
根据本发明的一些优选实施方面，所述耐高温云母线至少在与所述贴片接触的位置套设有陶瓷管，有效防止高温氧化等。
根据本发明的一些优选实施方面，所述脉冲电流模块输出的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz。加载机构能够连续作用时间达100h以上。
本发明的还提供了一种对在役部件的机械性能进行现场缓解的方法，包括如下步骤：
在待缓解部件的外周绕设线圈，并对所述线圈通入交流电，用于对待缓解部件进行感应加热至服役温度；向待缓解部件的两端之间通入脉冲电流，进行性能缓解。
根据本发明的一些优选实施方面，将待缓解部件加热至服役温度后保温30min以上，之后再向待缓解部件的两端之间通入脉冲电流。
根据本发明的一些优选实施方面，所述脉冲电流的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz；加载时间为1～100h。
在本发明的一些优选实施例中，基于上述的现场电脉冲缓解装置的在役部件机械性能缓解方法，具体包括以下步骤：
(a)根据现场情况和在役部件的外形将线圈均匀绕制在待缓解部件的外围，线圈与电流发生机构的交流电流模块之间电性连接；
(b)在待缓解部件的两端安装高温夹持贴片，并与电流发生机构中的脉冲电流模块之间电性连接；
(c)控制交流电流模块使线圈产生交流磁场，进而均匀加热在役部件至服役温度，并保温至少30min；加热至在役部件的服役温度有助于电脉冲缓解，机械性能的缓解效果更好，但是不能超过服役温度，这样会让部件材料产生其他不良反应。
(d)设置脉冲电流模块的电脉冲参数，包括频率、占空比及电流密度等，具体的，脉冲电流的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz。对在役部件施加电脉冲，持续1～100h；通过控制该三个参数能变化电脉冲的波形，匹配加热温度，进而达到缓解效果；其中电流密度的控制相对单纯控制加载电流或电压更加重要且更加合理，单纯的控制加载电流或电压意义不大；
(e)电脉冲缓解结束后，将在役部件空冷至室温，拆除线圈和高温夹持贴片，进行现场金相和硬度试验，验证机械性能电脉冲缓解效果。此为可选步骤，在经过一系列的前期试验和验证后，后续进行类似材质或情况下的机械性能缓解时可省略此步骤。
由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的现场电脉冲缓解装置，结构设计合理，通过加热机构对在役部件加热，加热保温温度可达1000℃以上，通过加载机构对在役部件施加长时间的电脉冲，实现材料机械性能的恢复缓解；装置结构简单、操作方便，缓解方法简单稳定，效果优异。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中现场电脉冲缓解装置的示意图；
其中：在役部件-1，线圈-2，高温夹持贴片-3，高温云母线-4，测温仪-5，电流发生机构-6，交流电流模块-7，脉冲电流模块-8。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1一种现场电脉冲缓解装置
参照附图1，本实施例的现场电脉冲缓解装置，包括用于对待缓解部件进行感应加热的加热机构、用于对待缓解部件加载脉冲电流的加载机构、以及用于对待缓解部件进行温度监测的测温仪。其中，加热机构包括绕设在待缓解部件外的线圈以及与线圈电性连接的交流电流模块，加载机构包括贴合在待缓解部件外周的高温夹持贴片以及与高温夹持贴片电性连接的脉冲电流模块，贴片位于待缓解部件的两端部。交流电流模块与线圈之间以及脉冲电流模块与高温夹持机构之间采用耐高温云母线进行连接；且耐高温云母线至少在与贴片接触的位置套设有陶瓷管，有效防止高温氧化等。
本实施例中将交流电流模块和脉冲电流模块整合成电流发生机构，其中交流电流模块与线圈的两端电性连接，脉冲电流模块与高温夹持贴片电性连接。高温夹持贴片可以采用金属片直接与在役部件的待缓解部分金属接触，或采取夹持的形式夹持在在役部件上，且线圈的两侧均设置有一套贴片以实现在待缓解部件上加载脉冲电流；每一套贴片内的多个贴片均匀间隔设置在在役部件的周向上，可在部件上施加均匀脉冲电流。本实施例中的脉冲电流模块输出的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz。加载机构能够连续作用时间达100h以上。
本实施例中，测温机构与电流发生机构信号连接。电流发生机构中的交流电流模块可根据测温机构反馈的测试温度与设定温度之间的结果实时调整交流电流模块参数，改变感应加热的交流磁场，进而达到精确保温、控温的目的，可以使得在役部件温度梯度低于±3℃。测温机构优选为红外测温仪。
线圈的轴心线与待缓解部件的轴心线重合。具体的，可根据现场情况和在役部件的外形将线圈均匀绕制在部件外围，使得线圈与在役部件轴心线(对称线)重合，但不与在役部件直接接触，实现在役部件的均匀加热，并通过交流磁场感应加热在役部件至服役温度。即在役部件(的待缓解部分)可以是异形，材料可以是不锈钢、低合金钢等。
本实施例的现场电脉冲缓解装置，结构设计合理，通过线圈在工程现场实现异形部件的均匀加热，加热保温温度可达1000℃以上，电脉冲参数设置合理、调节范围广，能够在服役温度下实现核电厂、火电厂和石油化工等在役部件材料机械性能的现场缓解、恢复；装置结构简单、操作方便，缓解方法简单稳定，效果优异。
实施例2在役部件机械性能的现场电脉冲缓解方法
本实施例提供了一种根据实施例1中所述的在役部件的现场电脉冲缓解方法，包括：在待缓解部件的外周绕设线圈，并对线圈通入交流电，用于对待缓解部件进行感应加热至服役温度；向待缓解部件的两端之间通入脉冲电流，进行性能缓解。
具体的包括以下步骤：
(a)根据现场情况和在役部件的外形将线圈均匀绕制在待缓解部件的外围，线圈通过耐高温云母线与电流发生机构的交流电流模块之间电性连接。
线圈与在役部件的轴心线(中心线)重合，以便实现在役部件的均匀加热。
(b)在待缓解部件的两端安装高温夹持贴片，并通过耐高温云母线与电流发生机构中的脉冲电流模块之间电性连接。且为了对在役部件施加均匀脉冲电流，高温夹持贴采用四点式接触连接在役部件。
为了防止耐高温云母线的高温氧化，耐高温云母线的外部套制陶瓷管。
(c)控制交流电流模块使线圈产生交流磁场，进而均匀加热在役部件至服役温度，一般为300～500℃，并保温至少30min。
为了精确保温和控温，电流发生机构可根据测温仪测试得到的实际温度与设定温度比对结果，实时调整交流电流模块的参数，进而控制线圈产生的交流磁场，可以使得在役部件温度梯度低于±3℃，实现精准控温。
(d)设置脉冲电流模块的电脉冲参数，包括频率、占空比及电流密度等，对在役部件施加电脉冲，持续1～100h。
为了应对不同材料和尺寸的在役部件，脉冲电流模块的电脉冲参数调节范围较大，占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz，连续作用时间可达100小时以上。
(e)电脉冲缓解结束后，将在役部件空冷至室温，拆除线圈和高温夹持贴片，进行现场金相和硬度试验，验证机械性能电脉冲缓解效果。此为可选步骤，在经过一系列的前期试验和验证后，后续进行类似材质或情况下的机械性能缓解时可省略此步骤。
为了进一步理解本申请的方案，以下以具体应用的实施案例和对比案例来说明：
应用案例
核电厂一回路主管道等效服役60年后，材料显微硬度提高至250HV、夏比冲击功下降至75J，针对该主管道开展电脉冲缓解，加热温度400℃，占空比2％，电流密度3×107A/mm2，频率100HZ，缓解10h。经测试，主管道材料硬度下降30％以上、夏比冲击功提高80％以上。
对比案例1
核电厂一回路主管道等效服役60年后，材料显微硬度提高至250HV、夏比冲击功下降至75J，针对该主管道开展电脉冲缓解，室温25℃，占空比2％，电流密度3×107A/mm2，频率100HZ，缓解10h。经测试，主管道材料硬度、夏比冲击功基本无变化。
对比案例2
核电厂一回路主管道等效服役60年后，材料显微硬度提高至250HV、夏比冲击功下降至75J，针对该主管道开展电脉冲缓解，加热温度400℃，占空比10％，电流密度3×107A/mm2，频率100HZ，缓解10h。经测试，主管道材料硬度下降20％以上、夏比冲击功提高50％以上。
对比案例3
核电厂一回路主管道等效服役60年后，材料显微硬度提高至250HV、夏比冲击功下降至75J，针对该主管道开展电脉冲缓解，加热温度400℃，占空比2％，电流密度1×107A/mm2，频率100HZ，缓解10h。经测试，主管道材料硬度、夏比冲击功基本无变化。
对比案例4
核电厂一回路主管道等效服役60年后，材料显微硬度提高至250HV、夏比冲击功下降至75J，针对该主管道开展电脉冲缓解，加热温度400℃，占空比2％，电流密度1×107A/mm2，频率100HZ，缓解1h。经测试，主管道材料硬度、夏比冲击功基本无变化。
表1应用案例和对比案例的参数和缓解结果
Figure BDA0003631286990000071
表1的测试结果表明，在室温下进行电脉冲缓解基本没有效果，且电流密度参数的控制相对更加重要。
本发明的在役部件现场电脉冲缓解装置，结构设计合理，通过感应加热在工程现场实现异形部件的均匀加热，加热保温温度可达1000℃以上，电脉冲参数设置合理、调节范围广，能够在服役温度下实现核电厂、火电厂和石油化工等在役部件材料机械性能的现场缓解、恢复；装置结构简单、操作方便，可在复杂工程现场实施，缓解方法简单稳定，效果优异。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在役部件现场电脉冲缓解装置，其特征在于，包括用于对待缓解部件进行感应加热的加热机构、用于对待缓解部件加载脉冲电流的加载机构，所述加热机构包括绕设在待缓解部件外的线圈以及与所述线圈电性连接的交流电流模块，所述加载机构包括贴合在待缓解部件外周的贴片以及与所述贴片电性连接的脉冲电流模块，所述贴片位于待缓解部件的两端部。
2.根据权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，包括用于对待缓解部件进行温度监测的测温机构，所述交流电流模块用于根据所述测温机构反馈的温度信号控制对所述线圈的电流加载。
3.根据权利要求2所述的缓解装置，其特征在于，所述测温机构为红外测温仪。
4.根据权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述线圈的轴心线与待缓解部件的轴心线重合。
5.根据权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述交流电流模块与所述线圈之间以及所述脉冲电流模块与所述高温夹持机构之间采用耐高温云母线进行连接。
6.根据权利要求5所述的缓解装置，其特征在于，所述耐高温云母线至少在与所述贴片接触的位置套设有陶瓷管。
7.根据权利要求1所述的缓解装置，其特征在于，所述脉冲电流模块输出的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz。
8.一种对在役部件的机械性能进行现场缓解的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在待缓解部件的外周绕设线圈，并对所述线圈通入交流电，用于对待缓解部件进行感应加热至服役温度；向待缓解部件的两端之间通入脉冲电流，进行性能缓解。
9.根据权利要求8所述的缓解的方法，其特征在于，将待缓解部件加热至服役温度后保温30min以上，之后再向待缓解部件的两端之间通入脉冲电流。
10.根据权利要求8所述的缓解的方法，其特征在于，所述脉冲电流的参数为：占空比1-100％，电流密度105-109A/mm2，频率1-500Hz；加载时间为1～100h。
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