DE3422781C2

DE3422781C2 -

Info

Publication number: DE3422781C2
Application number: DE3422781A
Authority: DE
Inventors: Teruo Yokosuka Kanagawa Jp Tamai
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1983-08-02
Filing date: 1984-06-20
Publication date: 1987-11-12
Also published as: JPS6033315A; SE462048B; SE8403928D0; ES533126A0; IT8421397A0; DE3422781A1; ES8504367A1; IT1174201B; SE8403928L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsspule zur Wärmebehandlung einer Rohrleitung, wobei ein Kühlmittel in kontinuierlicher Weise längs der inneren Rohrwandfläche, an der Korrosionseinflüsse vorliegen, geführt wird und die äußere Rohrwandfläche durch die diese mit Abstand umgebende Induktionsspule auf eine Temperatur erwärmt wird, so daß sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Rohrwandflächen einstellt, die eine über der entsprechenden Streckgrenze liegende thermische Spannung erzeugt.

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 des Schweißvorganges Zugspannungen an den Innen- sowie Außenwandflächen der Rohre in den Schweißverbindungen zwischen den Rohren nahegelegenen Bereich erzeugt.

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.

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.

Neben einigen Verfahren, mit denen Restspannungen im Rohr erzeugt werden, wurde insbesondere durch die US-PS 42 29 235 ein Wärmebehandlungsverfahren für Rohre bekannt, wonach an der inneren Rohrwandfläche Druckrestspannungen dadurch erlangt werden, daß die äußere Rohrwandfläche durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule beheizt wird, während ein Kühlmittel an der inneren Rohrwandfläche entlangfließt. Auf Grund der Hochfrequenzerwärmung wird zwischen den beiden Rohrwandflächen eine große Temperaturdifferenz erhalten. Über die Heizspule selbst und deren Anpassungsmöglichkeit an die Rohre werden in dieser US-PS konkrete Angaben nicht gemacht, ihrem Inhalt ist jedoch zu entnehmen, daß es sich bei der Heizspule um eine starre Spule handelt, die lediglich ein Gelenk hat, um sie um das Rohr herumzulegen.

Im allgemeinen weisen fertigbearbeitete Rohre oder Rohrleitungen gewisse Größenunterschiede auf. Insofern wäre es notwendig, wenn man starre Spulen zur Beheizung verwendet, eine Vielzahl solcher zu fertigen, die jeweils den verschiedenen Rohren mit unterschiedlichen Abmessungen angepaßt sind.

Im Hinblick auf den Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsspule für die Wärmebehandlung einer Rohrleitung bzw. von Rohren zu schaffen, die einmal die im Rohr erzeugte Wärmemenge in Anpassung an die Temperatur und/oder die Strömungsmenge des im Rohr fließenden Kühlmittels in geeigneter Weise regeln kann sowie zum anderen für bis zu einem gewissen Grad unterschiedliche Durchmesser und/oder Wandstärken aufweisende Rohre verwendbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Induktionsspule zur Wärmebehandlung einer Rohrleitung dadurch gelöst, daß die Induktionsspule in ihrer Gestalt derart veränderbar ist, daß die auf die Rohrleitung einwirkende magnetische Flußdichte zur Regelung der in der Rohrleitung erzeugten Wärmemenge veränderbar ist.

Durch Änderung der Gestalt der Induktionsspule ist es möglich, die notwendige Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wandflächen des Rohres zu erhalten.

Im Prinzip ist die magnetische Flußdichte durch Veränderung des Durchmessers der Windungen oder deren Wickelungsdichte (bzw. der Spulenlänge) veränderbar. Die magnetische Flußdichte einer Spule eines Elektromagneten hängt vom Strom und von der Windungszahl ab, die Größe des Hochfrequenz-Heizstromes hängt vom Abstand zwischen der Spule und dem zu beheizenden Körper ab. Die Stärke des Magnetfeldes gegenüber dem zu beheizenden Körper beeinflußt die Größe des im zu beheizenden Körper erzeugten Stroms.

Somit kann durch eine Änderung in der Gestalt der Induktionsspule die Größe des das Rohr erwärmenden Stroms den in der Praxis vorliegenden verschiedenartigen Gegebenheiten, wie Temperatur und Strömungsmenge des Kühlmittels sowie Abmessungen des jeweiligen Rohres, auf einfachste Weise angepaßt werden, um diejenige Temperaturdifferenz zwischen den Rohrwandflächen zu erhalten, die exakt zur Erzeugung der gewünschte Spannung notwendig ist.

Wenn man annimmt, daß die Temperaturdifferenz über die Rohrwanddicke linear abfällt, dann können die an der Außen- sowie Innenwandfläche des Rohres erzeugten Wärmespannungen durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

σ _α = σ _Φ = ∓ E · α · (To - Ti)/2 (1 - q) (1)

worin ist:

To = Temperatur der Rohr-Außenwandfläche Ti = Temperatur der Rohr-Innenwandfläche s _α = Axialspannung σ _Φ = Umfangsspannung E = Elastizitätsmodul a = Längsdehnungskoeffizient γ = Querdehnungszahl

In Gleichung (1) gibt ein positiver Wert die in der Innenwandfläche des Rohres erzeugte Zugspannung an, während ein negativer Wert die in der Rohr-Außenwandfläche erzeugte Zugspannung angibt.

Aus Gleichung (1) folgt, daß die Werte der Wärmespannungen σ _α und s _Φ umso höher sind, je größer die Temperaturdifferenz zwischen der Innen- sowie Außenwand des Rohres ist. Die Fig. 3 zeigt die Verteilung der Axialspannung, wobei s _y die Fließspannung (Streckgrenze) angibt.

Soll die Temperaturdifferenz im Fall einer Rohrleitung aus einem rostfreien Austenitstahl, die in einem Kernkraftwerk zum Einsatz kommt, erhalten werden, so wird davon ausgegangen, daß die temperaturabhängige Streckgrenze etwa 200 N/mm² beträgt, und es werden E = 1,9 × 10⁵ N/mm² sowie α = 6 · 10^-6K^-1 und γ = 0,3-0,5 in Gleichung (1) eingesetzt. Dann beträgt die Temperaturdifferenz (To-Ti) etwa 200 K. Folglich ist zur Erzeugung von Wärmespannungen, die die Streckgrenze in der Innen- sowie Außenwandfläche des Rohres übersteigen wenigstens eine Temperaturdifferenz von mehr als 200 K erforderlich.

Durch die derart hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen der Außen- sowie Innenwandfläche des Rohres werden die Wärmespannungen erzeugt, die die Streckgrenze überschreiten. Anschließend wird das Rohr auf Raumtemperatur abgekühlt, worauf, wie die beigefügte Fig. 4 zeigt, die Druckspannungen in der Innenwandfläche und die Zugspannungen in der Außenwandfläche verbleiben.

Die auf diese Weise erzeugten Restspannungen können durch Aufrechterhalten des Beharrungszusstandes des Rohres gesteuert werden, was durch ein ununterbrochenes Erwärmen für eine vorgegebene Zeitdauer erreicht wird.

Eine Heizdauer, die erforderlich ist, um den Beharrungszustand zu erlangen, wird aus der folgenden Gleichung (2) erhalten:

worin ist:

t = Wandstärke eines Rohres a = Temperaturdiffusionskoeffizient r = Heizdauer

Die zur Aufrechterhaltung des Beharrungszustandes in der Temperaturverteilung erforderliche Heizdauer kann leicht in Abhängigkeit davon erhalten werden, welches Objekt der Wärmebehandlung unterworfen werden soll, und auf diese Weise können die im Rohr erzeugten Restspannungen geregelt werden.

Um die stabile Temperaturdifferenz zu erlangen, müssen die Temperatur des Kühlmittels und die von der Induktionsspule erzeugte Wärmemenge gesteuert werden. Bei kontinuierlicher Zufuhr des Kühlmittels wird bei konstantem Wärmefluß durch die Rohrwand die Temperatur der Innenwandfläche auf einem konstanten Wert gehalten. In Abhängigkeit von dieser Innenwandtemperatur wird die von der Induktionsspule erzeugte Wärmemenge bestimmt. Wenn die Anfangstemperatur des dem Rohr zugeführten Kühlmittels oder dessen Durchflußmenge jedoch schwankt, kann auch dann die Temperatur der einen Wandfläche des Rohres auf einem konstanten Wert gehalten werden, wenn die von der induktiven Heizvorrichtung erzeugte Wärmemenge verändert wird.

Die im Rohr durch die induktive Heizvorrichtung erzeugte Wärmemenge kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Q ∼ [(R₀² - R₁²) · N²/l]^-1 (3)

worin ist:

Q= WärmemengeR₀= Durchmesser der Windungen der Induktionsspule R₁= Rohr-Außendurchmesser N= Anzahl der Windungen der Induktionsspule l= Länge der Induktionsspule

Die im Rohr erzeugte Wärme kann folglich ohne Schwierigkeiten geregelt werden, wenn die Werte für R₁, N und l konstantgehalten werden, während der Durchmesser R₀ der Windungen der Induktionsspule verändert wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Rohres mit einer induktiven Heizvorrichtung (Induktionsspule);

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 Rohres mit einer Induktionsspule zur Erläuterung deren Arbeitsweise;

Fig. 6 und 7 Seitenansichten weiterer induktiver Heizvorrichtungen;

Fig. 8 eine Seitenansicht einer bei Versuchen verwendeten Rohrleitung;

Fig. 9 und 10 Spannungsverteilungen auf dem Umfang von bei Versuchen verwendeten Rohren.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird koaxial zu einem Rohr 1 eine induktive Heizvorrichtung (Induktionsspule) 2 angeordnet. Anschließend wird ein Kühlmittel (z. B. Wasser) 3 ständig durch das Rohr 1 geführt und der Durchmesser der Windungen 4 der Spule 2 verändert, so daß die magnetische Flußdichte eine Änderung erfährt. Das hat zum Ergebnis, daß die im Rohr erzeugte Gesamtwärmemenge oder die Temperaturdifferenz zwischen den äußeren und inneren Wandflächen geregelt wird. Die Außenwandfläche des Rohres 1 wird auf eine Temperatur erwärmt und ein solcher Temperaturunterschied zwischen der Außen- sowie Innenwandfläche des Rohres 1 eingestellt, daß durch den über der Fließgrenze liegende Wärmespannungen in entgegengesetzter Richtung erzeugt werden können. Ferner werden die Kühl- und Heizschritte über eine vorbestimmte Zeitspanne fortgesetzt, bis der eingeregelte Zustand (Beharrungszustand) in der Temperaturverteilung zwischen Außen- und Innenwandfläche erlangt wird. Wenn der Abstand zwischen den Windungen 4 der Induktionsspule 2 und dem Rohr 1 vermindert wird, wird die Dichte des auf das Rohr 1 wirkenden Induktionssflusses und somit die im Rohr erzeugte Wärme erhöht. 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 Rohres 1 verändert wird, dann wird auch die magnetische Kraftlinienverteilung (der Unterschied in der magnetischen Flußdichte) verändert. Insofern kann die an der Außenwandfläche des Rohres 1 erzeugte Wärmemenge zu der an dessen Innenwandfläche erzeugten Wärmemenge unterschiedlich gemacht werden, so daß selbst dann, wenn die Amperewindung die gleiche ist, die Gesamtwärmemenge oder der Unterschied in der Wärmemenge zwischen Außen- sowie Innenwandfläche des Rohres 1 eingeregelt werden kann.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 5 werden Einrichtungen zur Veränderung des Durchmessers der Windungen 4 der Induktionsspule 2 beschrieben. Gemäß Fig. 1 und 2 werden die einen Enden von zwei halbkreisförmigen Stützelementen 5 miteinander über ein Scharnier 6 schwenkbar verbunden. 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 Spule 2 werden um die halbkreisförmigen Stützelemente 5 herumgeführt, wobei in jeder Windung 4 ein Grenz- oder Randbereich 4 a gebildet wird, der den freien Kanten der Stützelemente 5 benachbart ist, wie Fig. zeigt, wobei beide Enden der Grenzbereiche 4 a 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.

Bei einem Verstellen der Spannschlösser 7 in einer solchen Richtung, daß die freien Kanten der Stützelemente 5 voneinander weg bewegt werden, werden die Grenzbereiche 4 a der Windungen 4 gestreckt, wie Fig. 5 zeigt, so daß der Durchmesser der Windungen 4 der Spule 2 vergrößert wird.

Die Fig. 6 zeigt eine alternative Einrichtung zur Veränderung des Durchmessers der Windungen 4, die Parallelenker 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.

Aus Gleichung (3) folgt, daß dann, wenn die Länge l der Spule 2, d. h. bei konstantem N die Windungsdichte verändert wird, die im Rohr 1 durch die Spule erzeugte Wärmemenge verändert werden kann.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform für eine Induktionsheizvorrichtung gezeigt, mit der die im Rohr 1 erzeugte Wärmemenge gemäß dem Prinzip der Erfindung verändert werden kann. 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 Rohres beabstandet sind. Um den Abstand zwischen diesen zueinander beabstandeten Tragringen 11 zu verändern, ist ein Abstandseinstellmechanismus 12 vorgesehen, und wenn durch diesen die Tragringe 11 zueinander hin und voneinander weg bewegt werden, dann wird die Windungsdichte verändert, womit auch die im Rohr 1 erzeugte Wärmemenge verändert wird.

Es wird nun auf einige Versuche, die mit der Induktionsspule gemäß der Erfindung durchgeführt werden, eingegangen, wobei eine L-förmige Rohrleitung 1, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, zur Anwendung kam. Die Rohrleitung ist aus geraden Rohrabschnitten sowie einem Rohrbogen aus rostfreiem Stahl 304 (DIN 14 301), die miteinander verschweißt wurden, gebildet worden. Wasser wurde ununterbrochen durch die Rohrleitung geführt, während induktive Heizvorrichtungen an den für die Wärmebehandlung bestimmten Stellen A und B angeordnet worden sind. Während somit die Innenwandflächen der Rohrleitung durch Wasser gekühlt wurden, wurde den Induktionsspulen Energie zugeführt, um die Außenwandflächen der Rohrleitung zu erhitzen. Die an den Stellen A und B erhaltenen Versuchsergebnisse und die dort herrschenden Heizbedingungen sind in der beigefügten Tabelle aufgeführt.

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 Aufheizungen und Abschrecken erhaltenen Ergebnisse mit gestrichelten Linien aufgetragen sind.

Den Fig. 9 und 10 ist zu entnehmen, daß gemäß der Erfindung Rest-Druckspannungen an jedem Meßpunkt erzeugt werden können.

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.

Durch die Erfindung werden 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.
2. Die Wärmebehandlung mit einer Induktionsspule 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.
3. Die eine Wandfläche des Rohres wird ständig durch ein Kühlmittel gekühlt und dann 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 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Das hat zum Ergebnis, daß der Temperaturunterschied zwischen der einen sowie der anderen Wandfläche in einem Gleichgewichtszustand gehalten werden kann und die Regelbarkeit sowie Wiederholbarkeit ganz bemerkenswert erhöht bzw. verbessert werden können.
4. Der Abstand zwischen den Windungen einer Induktionsspule und der Außenwandfläche eines Rohres oder die Windungsdichte könnnen verändert werden, so daß die magnetische, auf das Rohr einwirkende Flußdichte verändert und dadurch 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 induktive Heizvorrichtung 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.
5. Der Abstand zwischen den Windungen der Induktionsspule und der Rohr-Außenwandfläche oder die Windungsdichte können 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 Induktionsspule zugeführten Stroms die Feineinregelung der im Rohr erzeugten Wärme und der Temperaturverteilung dem Belieben nach bewerkstelligt werden.

Tabelle

Bedingungen der Induktionsbeheizung

Claims

1. Induktionsspule zur Wärmebehandlung einer Rohrleitung, wobei ein Kühlmittel in kontinuierlicher Weise längs der inneren Rohrwandfläche, an der Korrosionseinflüsse vorliegen, geführt wird und die äußere Rohrwandfläche durch die diese mit Abstand umgebende Induktionsspule auf eine Temperatur erwärmt wird, so daß sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Rohrwandflächen einstellt, die eine über der entsprechenden Streckgrenze liegende thermische Spannung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule in ihrer Gestalt derart veränderbar ist, daß die auf die Rohrleitung einwirkende magnetische Flußdichte zur Regelung der in der Rohrleitung erzeugten Wärmemenge veränderbar ist.

2. Induktionsspule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der Induktionsspule durch Änderung des Durchmessers ihrer Windungen veränderbar ist.

3. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gestalt der Induktionsspule durch Änderung ihrer Windungsdichte veränderbar ist.