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Verfahren zur Wärmebehandlung einer Rohrleitung
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Verfahren
zur Wärmebehandlung eines Rohrs bzw. einer Rohrleitung und insbesondere auf ein
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Rohrs bzw. einer Rohrleitung, das dazu geeignet
ist, den Widerstand gegen Ermüdungskorrosion sowie Spannungskorrosionsbrüchen zu
erhöhen.
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In Kern- sowie Wärmekraftwerken und chemischen Anlagen werden viele
gerade sowie gebogene Rohrabschnitte zu einer einzigen langen Rohrleitung zusammengeschweißt.
In diesem Fall werden auf Grund der Schweißhitze Zugspannungen an den Innen- sowie
Außenwandflächen der Rohre im den SchweiBverbindungen zwischen den Rohren nahegelegenen
Bereich erzeugt.
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Es ist in der einschlägigen Technik bekannt, daß dann, wenn Zugspannungen
und Korrosionseinflüsse in einem Stahlteil nebeneinander vorhanden sind, schnell
ein Korngrenzenbruch in der zu den Zugspannungen rechtwinkligen Richtung auftritt.
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Hieraus folgt, daß bei einer Rohrleitung, die korrosives Fluid führt,
Zugspannungen und Korrosionseinflüsse zusammen vorhanden sind, womit also ein Spannungskorrosionsbruch
und eine Ermüdungskorrosion das Ergebnis sein werden. Im Fall von Rohrleitungen
in Kernkraftwerken und chemischen Anlagen werden durch diese Leitungen hauptsächlich
korrosive Fluide geführt, so daß geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden müssen.
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Um das obige Problem sowie weitere Probleme zu lösen, die vor allem
auftreten, wenn ein korrosives Fluid durch eine Rohrleitung geleitet wird, wurde
ein Verfahren entwickelt und angewendet, um Zugspannungen an den Innenwandflächen
der Rohrleitung zu belassen. Zu diesem Zweck wurde ein Stahlsandblas- oder Kugelstrahlvorgang
angewendet, wobei kleine Stahikügelchen gegen die Oberfläche eines Objekts unter
der Wirkung von Preßluft geblasen werden, oder es kam das Linde-Verfahren zur Anwendung,
wonach die verbundenen Rohrenden durch Gasflammen erhitzt werden, so daß die Restspannungen
an der Schweißverbindung aufgehoben werden.
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Der Kugelstrahlvorgang kann bei flachen Tafeln, Blechen oder bei kurzen
Rohren gut und leicht angewendet werden, es ist jedoch schwierig, diesen Vorgang
auf zusammengebaute Rohrleitungen anzuwenden. Darüber hinaus ist es schwierig, die
gesamten Umfangsflächen der Rohrleitung zu behandeln.
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Im Fall des Linde-Verfahrens können nur die Restspannungen abgebaut
werden, Druckspannungen können jedoch nicht eindeutig und/oder ausreichend erzeugt
werden.
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Es wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, wonach eine Rohrleitung
erhitzt und rapid abgekühlt wird, so daß innere Restspannungen hervorgerufen werden
können; in der Praxis streuen oder ändern sich jedoch die Restspannungen in Abhängigkeit
von den Wärmebehandlungsbedingungen, z.B.
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den Beheizungsbedingungen, so daß dabei viele Probleme ungelöst bleiben.
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Die Erfindung wurde konzipiert, um die oben aufgeführten sowie weitere
Probleme zu lösen, und es ist ihre Aufgabe, ein Wärmebehandlungsverfahren für Rohre
bzw. Rohrleitungen anzugeben, mit dem diese Probleme und Schwierigkeiten beseitigt
werden können. Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Wärmebehandlung einer Rohrleitunq
sieht deshalb vor, ein Kühlmittel kontinuierlich an einer Seite einer Rohrleitung,
an der Korrosionseinflüsse vorhanden sind, entlangfließen zu lassen, während die
andere Rohrwandfläche, an der Korrosionseinflüsse nicht vorhanden sind, auf eine
unter einem kritischen Punkt liegende Temperatur durch Veränderung der magnetischen
Flußdichte bei einer induktiven Beheizung erhitzt wird, um die gesamte Wärmemenge
zu steuern oder den Unterschied zwischen den Wärmemengen an beiden Rohrwandflächen
einzuregeln, so daß sich eine Temperaturdifferenz zwischen diesen Flächen einstellt
und demzufolge über eine Streckgrenze hinausgehende Wärmespannungen in unterschiedlichen
Richtungen zwischen den Rohrwandflächen erzeugt werden, und das Verfahren sieht
vor, anschließend das Rohr bzw. die Rohrleitung auf Raumtemperatur zurückzuführen,
so daß gleichförmige Rest-Druckspannungen in eindeutiger Weise an der Fläche mit
korrosiven Einflüssen erzeugt werden und die Regelbarkeit sowie die Reproduzierbarkeit
gesteigert werden können.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht
eines Rohrs mit einer Induktionsheizvorrichtung; Fig. 2 den Schnitt nach der Linie
II - II in der Fig. 1; Fig. 3 und 4 Spannungsverteilungen in Rohren; Fig. 5 eine
Seitenansicht eines Rohrs mit einer Induktionsheizvorrichtung zur Erläuterung deren
Arbeitsweise; Fig. 6 und 7 Seitenansichten weiterer Heizvorrichtungen; Fig. 8 eine
Seitenansicht einer bei Versuchen verwendeten Rohrleitung; Fig. 9 und 10 Umfangsspannungsverteilungen
bei in Versuchen verwendeten Rohren.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 wird koaxial zu einem Rohr 1 eine Induktionsheizvorrichtung
2 angeordnet. Anschließend wird ein Kühlmittel (z.B. Wasser) 3 ständig durch das
Rohr 1 geführt und der Durchmesser der Windungen 4 der Heizvorrichtung 2 verändert,
so daß die magnetische Flußdichte eine Änderung erfährt. Das hat zum Ergebnis, daß
die im Rohr 1 erzeugte Gesamtwärmemenge oder die Temperaturdifferenz zwischen den
äußeren und inneren Wandflächen geregelt wird, so daß die Außenwandfläche des Rohrs
1 auf eine unter einem kritischen Punkt liegende Temperatur erhitzt wird und der
Temperaturunterschied zwischen der Außensowie Innenwandfläche des Rohrs 1 derart
ist, daß die über einer Fließgrenze liegenden Wärmespannungen in unterschiedlichen
Richtungen erzeugt werden können. Ferner werden die Kühl- und.Heizschrltte über
eine vorbestimmte Zeitspanne fortgesetzt, bis der eingeschwungene Zustand (Beharrungszustand)
in der Temperaturverteilung zwischen Außen- und Innenwandfläche erlangt werden kann.
Wegen der Kraftlinienstreuung od. dgl. wird die Dichte der auf das Rohr 1 wirkenden
Induktionsflüsse erhöht, wenn der Abstand zwischen den Windungen 4 der Induktionsheizvorrichtung
2 und dem Rohr 1 vermindert wird. Daraus folgt, daß
bei einer Verminderung
des Durchmessers der Windungen 4 die Dichte der sich mit dem Rohr 1 schneidenden
Induktionsflüsse vergrößert wird, so daß die erzeugte Hitze erhöht wird. Andererseits
wird bei einer Vergrößerung des Durchmessers der Windungen 4 die erzeugte Wärmemenge
dann auch herabgesetzt. Wenn die Lage der Windungen 4 mit Bezug zur Außenwandfläche
des Rohrs 1 verändert wird, dann wird auch die magnetische Kraftlinienverteilung
(der Unterschied in der magnetischen Flußdichte) verändert.
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Insofern kann die an der Außenwandfläche des Rohrs 1 erzeugte Wärmemenge
zu der an dessen Innenwandfläche erzeugten Wärmemenge unterschiedlich gemacht werden,
was bedeutet, daß selbst dann, wenn die Amperewindung die gleiche ist, die Gesamtwärmemenge
oder der Unterschied in der Wärmemenge zwischen Außen- sowie Innenwandfläche des
Rohrs 1 eingeregelt werden kann.
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Wenn man annimmt, daß die Temperaturverteilung im Rohr 1 linear ist,
dann können die an der Außen- sowie Innenwandfläche des Rohrs 1 erzeugten Wärmespannungen
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: = = -E .oc. (To - Ti)/2(1- g) (1)
worin ist: To = Temperatur der Rohr-Außenwandfläche Ti = Temperatur der Rohr-Innenwandfläche
00: = Axialspannung = Umfangsspannung E = Elastizitätsmodul cc = Längsdehnungskoeffizient
g = Querdehnungszahl In Gleichung (1) gibt ein positiver Wert die in der Innenwandfläche
des Rohrs 1 erzeugte Zugspannung an, während ein negativer Wert die in der Rohr-Außenwandfläche
erzeugte Zugspannung angibt.
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Aus Gleichung (1) folgt, daß die Werte der Wärmespannungen und aq
umso höher sind, je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Innen- sowie Außenwand
des Rohrs 1 ist. Die Fig. 3 zeigt die Verteilung der Axialspannung, wobei zur eine
Fließspannung angibt.
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Es soll die Temperaturdifferenz im Fall einer Rohrleitung aus einem
rostfreien Austenitstahl, die in einem Kernkraftwerk zum Einsatz kommt, erhalten
werden. Es wird davon ausgegangen, daß die Streckgrenze, die von der Temperatur
abhängt, etwa 20 kg beträgt und es werden E = 1,9 x 104kg/mm2 sowie t = 0,3 s 0,5
in Gleichung (1) eingesetzt. Dann beträgt die Temperaturdifferenz (To - Ti) etwa
200"C. Es folgt insofern, daß zur Erzeugung von Wärmespannungen über eine Streckgrenze
in der Innen- sowie Außenwandfläche des Rohrs 1 hinaus wenigstens eine Temperaturdifferenz
von mehr als 200"C erforderlich ist.
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Der Temperaturunterschied zwischen der Außen- sowie Innenwandfläche
des Rohrs 1 wird in der oben beschriebenen Weise hervorgerufen, so daß die Wärmespannungen,
die eine Streckgrenze überschreiten, erzeugt werden. Anschließend wird das Rohr
1 auf Raumtemperatur abgekühlt, worauf, wie Fig. 4 zeigt, die Druckspannungen in
der Innenwandfläche und die Zugspannungen in der Außenwandfläche verbleiben.
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Die in der oben beschriebenen Weise erzeugten Restspannungen können
gesteuert werden, indem der Beharrungszustand der Temperaturverteilung in Richtung
der Wandstärke des Rohrs 1 aufrechterhalten wird, was gemäß der Erfindung durch
ein ununterbrochenes Erwärmen für eine vorgegebene Zeitdauer erreicht wird.
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Eine Heizdauer, die erforderlich ist, um den Beharrungszustand zu
erlangen, kann aus der folgenden Gleichung (2) erhalten werden:
r
# t²/a . 0,7 ......... (2) worin ist: t = Wandstärke eines Rohres a = Temperaturdiffusionskoeffizient
r = Heizdauer Somit kann die zur Aufrechterhaltung des Beharrungszustands in der
Temperaturverteilung erforderliche Heizdauer leicht in Abhängigkeit davon erhalten
werden, welches Objekt der Wärmebehandlung unterworfen werden soll, und auf diese
Weise können die im Rohr 1 erzeugten Restspannungen leicht geregelt werden.
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Um die stabile Temperaturdifferenz zu erlangen, müssen die Temperatur
des Kühlmittels 3 und die von der Induktionsheizvorrichtung 2 erzeugte Wärmemenge
gesteuert werden. Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel 3 kontinuierlich zugeführt,
so daß der Temperaturanstieg des Kühlmittels, d.h. die von der einen Wandfläche
des Rohrs 1 auf das Kühlmittel 3 übertragene Wärmemenge, konstantgehalten wird,
womit die Temperatur der einen Wandfläche auf einem konstanten Wert gehalten werden
kann. In Abhängigkeit von der Temperatur der einen Wandfläche, die, wie oben beschrieben
wurde, konstantgehalten wird, wird die von der Induktionsheizvorrichtung 2 erzeugte
Wärmemenge bestimmt. Daraus folgt, daß die von der Heizvorrichtung 2 erzeugte Wärmemenge
nicht von Zeit zu Zeit verändert zu werden braucht, was zum Ergebnis hat, daß die
Regelung der Induktionsheizvorrichtung 2 leicht zu bewerkstelligen ist. Wenn die
Anfangstemperatur des dem Rohr 1 zugeführten Kühlmittels 3 oder wenn dessen Durchflußmenge
schwankt, dann kann die Temperatur der oben genannten einen Wandfläche des Rohrs
1 auf einem konstanten Wert gehalten werden, der zur vorher festgesetzten Temperatur
unterschiedlich ist. Dementsprechend muß dann die von der Induktionsheizvorrichtung
2
erzeugte Wärmemenge verändert werden. Ein solches Vorgehen ist
erforderlich, da dann, wenn eine Stelle, die der Wärmebehandlung unterworfen werden
soll, geändert wird, das Kühlmittel 3 mit derselben Temperatur und in derselben
Menge nicht zu jeder Zeit erlangt werden kann.
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Deshalb wird gemäß der Erfindung der Durchmesser der Windungen 4 der
Induktionsheizvorrichtung 2 verändert, wie oben gesagt wurde.
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Die im Rohr 1 durch die Induktionsheizvorrichtung 2 erzeugte Wärmemenge
kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Q X L(R2O - R2) . N2 i£] -1
(3) worin ist: Q = Wärmemenge Rg = Durchmesser der Windungen der Induktionsheizvorrichtung
R1 = Rohr-Außendurchmesser N = Anzahl der Windungen der Induktionsheizvorrichtung
= = Länge der Windungen der Induktionsheizvorrichtung Die im Rohr 1 erzeugte Wärmemenge
kann folglich leicht geregelt werden, wenn die Werte für R1, N und d konstantgehalten
werden, während der Durchmesser Ro der Windungen der Induktionsheizvorrichtung verändert
wird.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 5 werden Einrichtungen zur
Veränderung des Durchmessers der Windungen 4 der Induktionsheizvorrichtung 2 boschrieben.
Gemäß Fig. 1 und 2 werden die einen Enden von zwei halbkreisförmigen Stützelementen
5 miteinander über ein Scharnier 6 verbunden, so daß diese Stützelemente um das
Scharnier 6 geschwenkt werden können.
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Die anderen Enden der Stützelemente 5 werden miteinander über Spannschlösser
7 verbunden, durch die der Schwenkwinkel
dieser Stützelemente 5
verstellbar ist. Die Windungen 4 der Heizvorrichtung 2 werden um die halbkreisförmigen
Stützelemente 5 herumgeführt, wobei in jeder Windung 4 ein Grenz-oder Randbereich
4a gebildet wird, der den freien Kanten der Stützelemente 5 benachbart oder gegenüber
liegt, wie Fig. 1 zeigt, wobei beide Enden der Grenzbereiche bzw.
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-abschnitte 4a an den Stützelementen 5 durch geeignete Klemmstücke
8 befestigt werden. Die Stützelemente 5, das Scharnier 6 und die Spannschlösser
7 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Material.
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Bei einem Verstellen der Spannschlösser 7 in einer solchen Richtung,
daß die freien Kanten der Stützelemente 5 voneinander weg bewegt werden, werden
die Grenzabschnitte 4a der Windungen 4 gestreckt, wie Fig. 5 zeigt, so daß der Durchmesser
der Windungen 4 der Heizvorrichtung 2 vergrößert wird. Wenn andererseits die Spannschlösser
7 so verstellt werden, daß sich die Kanten der Stützelemente 5 aufeinander zu bewegen,
womit die Grenzabschnitte 4a der Windungen 4 zusammengeführt werden, dann wird klarerweise
der Durchmesser dieser Windungen 4 vermindert.
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Die Fig. 6 zeigt eine alternative Einrichtung zur Veränderung des
Durchmessers der Windungen 4, die Parallellenker 9 und ein Paar von parallelen Tragstäben
10 aufweist. Wenn die Tragstäbe 10 in einander entgegengesetzten Richtungen, wie
durch die Pfeile angedeutet ist, verlagert werden, dann kann damit der Winkel bzw.
Abstand zwischen den Windungen 4 und dem Rohr 1 verändert werden, womit auch der
Durchmesser der Windungen 4 verändert wird.
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Aus Gleichung (3) folgt, daß dann, wenn die Länge £ der Windungen
4, d.h. bei konstantem N die Teilung der Windungen, verändert wird, die im Rohr
1 durch die Heizvorrichtung 2 erzeugte Wärmemenge verändert werden kann.
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in Fig. 7 ist eine weitere abgewandelte Ausführungsform für eine Induktionsheizvorrichtung
gezeigt, mit der die im Rohr 1 erzeugte Wärmemenge in Übereinstimmung mit dem erläuterten
Prinzip gemäß der Erfindung verändert werden kann.
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Die Enden der Windungen 4 sind hierbei jeweils an Tragringen 11 befestigt,
welche rund um das Rohr 1 angeordnet und zueinander in der Achsrichtung des Rohrs
beabstandet sind. Um den Abstand zwischen diesen zueinander beabstandeten Tragringen
il zu verändern, ist ein Abstandseinstellmechanismus 12 vorgesehen, und wenn durch
diesen die Tragringe 11 zueinander hin oder voneinander weg bewegt werden, dann
wird die Teilung der Windungen 4 verändert, womit auch die im Rohr 1 erzeugte Wärmemenge
verändert wird.
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Es wird nun auf einige Versuche, die entsprechend dem Verfahren gemäß
der Erfindung durchgeführt wurden, eingegangen, wobei eine L-förmige Rohrleitung,
wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, zur Anwendung kam. Die Rohrleitung ist aus geraden
Rohrabschnitten sowie einem Rohrbogen aus rostfreiem Stahl 304 gebildet worden,
wobei diese Rohrstücke miteinander verschweißt worden sind. Wasser wurde ununterbrochen
durch die Rohrleitung geführt, während Induktionsheizvorrichtungen an den für die
Wärmebehandlung bestimmten Stellen A und B angeordnet worden sind. Während somit
die Innenwandflächen der Rohrleitung 1 durch Wasser gekühlt wurden, wurde den Induktionsheizvorrichtungen
Energie zugeführt, um die Außenwandflächen der Rohrleitung 1 zu erhitzen. Die an
den Stellen A und B erhaltenen Versuchsergebnisse und die dort herrschenden Heizbedingungen
sind in der beigefügten Tabelle aufgeführt.
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Die unter diesen Bedingungen erhaltenen Versuchsergebnisse sind in
den Fig. 9 und 10 durch ausgezogene Linien dargestellt, während zum Vergleich die
durch ein herkömmliches Verfahren mit Aufheizung und rapider Abkühlung erhaltenen
Ergebnisse
mit gestrichelten Linien aufgetragen sind.
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Den Fig. 9 und 10 ist zu entnehmen, daß gemäß der Erfindung Rest-Druckspannungen
an jedem Meßpunkt erzeugt werden können.
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In manchen Fällen werden, wenn die Rohrabschnitte durch Schweißen
zu einer Rohrleitung verbunden werden, Restspannungen über die gesamte Rohrleitung
verteilt, gemäß der Erfindung kann jedoch eine solche Restspannungsverteilung in
geeigneter Weise auf der gesamten Länge der Rohrleitung abgestellt oder beseitigt
werden.
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Aus dem Obigen folgt, daß gemäß der Erfindung ein Kühlmittel zum Fließen
längs der einen Wandfläche eines Rohrs, an der korrosive Einflüsse vorhanden sind,
gebracht wird, während die andere Rohrwandfläche, an der korrosive Einflüsse nicht
vorhanden sind, auf eine unter einem kritischen Punkt liegende Temperatur aufgeheizt
wird, indem die magnetische Flußdichte bei einer induktiven Erwärmung verändert
wird, um die gesamte Wärmemenge zu steuern oder den Unterschied in den Wärmemengen
an den beiden Rohrwandflächen einzuregeln, so daß sich eine Temperaturdifferenz
zwischen den Wandflächen einstellt und demzufolge über einer Fließgrenze liegende
Wärmespannungen in unterschiedlichen Richtungen zwischen den Wandflächen erzeugt
werden, worauf das Rohr auf Raumtemperatur zurückgeführt wird, so daß die Rest-Druckspannungen
in eindeutiger Weise in der einen der Rohrwandflächen, für die korrosive Einflüsse
vorhanden sind, erzeugt werden.
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demzufolge werden durch das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden
Wirkungen, Merkmale und Vorteile die jedoch nicht erschöpfend zusammengefaßt werden,
erreicht: 1. Das Nebeneinanderbestehen von korrosiven Einflüssen und Restspannungen
kann ausgeschaltet werden, so daß ein Spannungskorrosionsbruch in einer Rohrleitung
mit Sicherheit vermieden werden kann.
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2. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch bei vorhandenen Rohrleitungen
in gleicher Weise zur Anwendung kommen, selbst wenn sie eine große Länge und einen
kleinen Durchmesser aufweisen.
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3. Die eine Wandfläche des Rohrs wird ständig durch ein Kühlmittel
gekühlt und kann insofern auf einfache Weise auf einer vorbestimmten Temperatur
gehalten werden, und in Abhängigkeit von dieser gleichbleibend gehaltenen Temperatur
der einen Wandfläche wird die andere Rohrwandfläche auf eine vorbestimmte Temperatur
erhitzt. Das hat zum Ergebnis, daß der Temperaturunterschied zwischen der einen
sowie der anderen Wandfläche in einem Beharrungszustand gehalten werden kann und
die Regelbarkeit sowie Wiederholbarkeit ganz bemerkenswert erhöht bzw. verbessert
werden können.
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4. Der Abstand zwischen den Windungen einer Induktionsheizvorrichtung
und der Außenwandfläche eines Rohrs oder die Teilung der Windungen können verändert
werden, so daß die magnetische, auf das Rohr einwirkende Flußdichte verändert werden
kann, was zum Ergebnis hat, daß die im Rohr erzeugte Wärmemenge geregelt werden
kann. Somit kann, selbst wenn die Temperatur und die Durchflußmenge des Kühlmittels
einer Änderung unterliegen, die im Rohr durch die Induktionsheizvorrichtung erzeugte
Wärmemenge in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den Änderungen in der Temperatur
und in der Durchflußmenge des Kühlmittels gesteuert werden. Auf diese Weise kann
die Temperaturdifferenz zwischen der Rohr-Außen-und Innenwandfläche eindeutig und
leicht auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden.
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5. Der Abstand zwischen den Windungen der Induktionsheizvorrichtung
und der Rohr-Außenwandfläche kann, wie gezeigt wurde, verändert werden oder es kann
die Teilung der Windungen verändert werden, so daß die magnetische Flußdichte, die
auf das Rohr einwirkt, ebenfalls verändert werden kann. Insofern kann in Kombination
mit den herkömmliChen Einrichtungen
zur Regelung des der Induktionsheizvorrichtung
zugeführten Stroms die Feineinregelung der im Rohr erzeugten Hitze und der Temperaturverteilung
dem Belieben nach bewerkstelligt werden.
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Tabelle Bedingungen der Induktionsbeheizung Frequenz Leistung Windungslänge
Heizdauer Wasserge- Temp. der Temp. der Temperatur (kHz) (KW) (mm) (s) schwindigkeit
Außenwand- Innenwand- differenz (m/s) fläche To fläche Ti To - Ti (°C) (°C) (°C)
A 3 300 250 177 0,5 514 119 395 B 3 300 250 176 0,5 514 164 236
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L e e r s e i t e -