EA005086B1 - Способ индукционного нагрева подложки и покрытия на этой подложке - Google Patents

Abstract

Предложен способ нагрева подложки (11, 12) и покрытия (14, 16) на этой подложке (11, 12). На покрытие (14, 16) накладывают токоприемный элемент (22) и индукционно возбуждают этот элемент (22) и подложку (11, 12) для нагревания подложки (11, 12) и покрытия (14, 16).

Description

Настоящее изобретение относится к способу индукционного нагрева подложки и покрытия на этой подложке.

Предлагаемый способ позволяет преодолеть трудности, которые могут возникнуть при попытке нагрева подложек, имеющих покрытия, в особенности, относительно толстые покрытия с низкой теплопроводностью, например пластмассовые. Например, несмотря на то, что известно применение индукционного нагрева для нагрева труб с покрытием из полиолефина, трудности могут возникнуть, если покрытие относительно толстое. Например, в случае наложения обшивки на сварной шов трубы, покрытой полипропиленом, с помощью определенных устройств для наложения обшивки необходимо поднять температуру металла на открытом участке минимум до 165°С, предпочтительно примерно до 180°С, а внешнюю поверхность полипропиленовой обшивки - до температуры минимум около 145°С, но более предпочтительно примерно до 165°С. Было обнаружено, что там, где толщина покрытия более примерно 3 мм, например 6 мм или более, индукционный нагрев не в состоянии поднять температуру наружной поверхности полипропиленового покрытия до необходимого значения без продолжительного и интенсивного индукционного нагрева, который ведет к чрезмерному нагреву стальной подложки, в результате чего компоненты покрытия ухудшают свои качества, деформируются и разлагаются.

Настоящее изобретение предлагает способ нагрева подложки и покрытия на этой подложке, включающий наложение на покрытие токоприемного элемента, который вместе с подложкой обладает способностью индукционного нагревания, и индукционное возбуждение указанного элемента и подложки для нагрева подложки и покрытия.

В соответствии с изобретением, когда покрытие нагревают снаружи через индукционно нагреваемый токоприемный элемент, а также изнутри через индукционно нагреваемую подложку, неожиданно было обнаружено, что можно нагревать покрытие до необходимой температуры, не встречая затруднений, связанных с деформацией, ухудшением свойств и разложением, упоминавшихся выше.

Преимущественно токоприемный элемент может служить опалубкой, как более подробно описано в нашей находящейся одновременно на рассмотрении заявке на патент США № 09/684 788, которая подана 10 октября 2000г. и описание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Предлагаемый способ имеет ряд других неожиданных преимуществ. Было обнаружено, что он дает возможность изменять профиль распределения температуры подложки и покрытия для удовлетворения требований, например, особого устройства для наложения обшивки, обу словленных, например, диаметром трубы, толщиной стенки, типом покрытия и его толщиной.

Индукционная частота может быть такой, что происходит нагревание на основе скинэффекта или подложка и токоприемный элемент могут нагреваться по всей их толщине.

Изобретение ниже описано более подробно на примере со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Фиг. 1 изображает частичный схематичный продольный разрез стенки трубного соединения с покрытием в ходе наложения термоусадочной обшивки.

Фиг. 2 изображает частичный поперечный разрез стенки трубы с покрытием, иллюстрирующий нагрев отдельного участка стенки для наложения ремонтной заплаты.

Фиг. 3 иллюстрирует завершение ремонта.

Обращаясь к сопутствующим чертежам, отметим, что фиг. 1 изображает в качестве примера отрезки труб, стенки 11 и 12 которых сварены между собой сварным швом 13. По сторонам от шва 13 каждый отрезок трубы 11 и 12 имеет основное покрытие 14 и 16. Это покрытие может содержать полиолефин, например полипропилен. Обычно трубы 11 и 12 являются стальными. Концевые части 19 и 21 труб не имеют покрытия 14 и 16 для обеспечения возможности выполнения сварки, и, как правило, их называют открытыми участками. Эти открытые участки 19 и 21 могут иметь покрытие (не показано) в виде отверждаемого грунтовочного состава, например эпоксидного состава. Покрытия 14 и 16 могут быть, например, покрытиями многокомпонентного типа, включающими наружный слой полиолефина, например полипропилена, уложенного на внутреннее связывающее полипропиленовое покрытие, наложенное непосредственно на металлическую трубу или поверх упомянутой выше отверждаемой грунтовки.

Для наложения термоусадочной муфты на зону шва нужно нагреть покрытия 14 и 16 на участках, которые будут перекрыты муфтой и которые проходят несколько наружу за ее края, до температуры, превышающей температуру активации муфты, например, как описано в нашей упомянутой выше заявке на патент № 09/684788.

Над этими участками размещают токоприемный элемент, который в приведенном примере имеет вид металлической полосы 22. Эта полоса 22 может быть, например, гибкой металлической лентой, которая проходит вокруг по периметру трубы и концы которой перекрывают друг друга и соединены быстро освобождающимися зажимами, такими как рычажные защелки или им подобные приспособления. Предпочтительно металлические полосы 22, закрепленные вокруг периметра трубы, плотно прилегают к наружной поверхности покрытий 14 и 16.

В примере, проиллюстрированном на чертежах, для уменьшения потерь тепла на наруж ную поверхность ленты 22 наложена теплоизолирующая лента 23.

Снаружи описанного узла изображена индукционная катушка 24.

При работе индукционную катушку 24 запитывают для индукционного нагрева металла труб 11 и 12, а также шва 13, и нагрева металлических полос 22, так что покрытия 14 и 16 нагреваются благодаря проводимости от полос 22 и металла труб 11 и 12.

Когда лишенные покрытия участки 19 и 21 трубы и покрытия 14 и 16 достигли требуемой температуры, индукционную катушку плавно перемещают в продольном направлении в одну из сторон, токоприемные элементы 22 и изолирующие полосы 23 снимают и активируемую теплом муфту накладывают на зону шва трубы. Такие муфты и техника их наложения хорошо известны специалистам в этой области, и муфты могут накладываться обычным способом. Однако в предпочтительном варианте муфта может быть наложена так, как это описано в нашей упомянутой выше заявке на патент РСТ/СА01/01425.

Можно заметить, что во время нагрева металлические полосы 22 выполняют роль опалубки, служащей сохранению однородности, непрерывности и формы покрытий 14 и 16.

Предполагается, что токоприемные элементы могут быть не только в виде полос, но и в виде других конструкций.

Для примера обратимся к фиг. 2, где проиллюстрировано наложение токоприемного элемента 26 при заделке прокола или пропуска 27 в покрытии 28 на стенке 29 трубы. Токоприемный элемент может быть приспособлен для нагрева отдельного участка, и поэтому его размеры могут быть, по существу, меньше периметра сечения трубы, но несколько больше, чем размер прокола. Например, в случае, когда размер прокола 27 составляет примерно 25 х 25 мм, токоприемный элемент 26 может быть, например, выполнен в виде металлической пластины размером примерно 50 х 50 мм. Желательно, чтобы токоприемный элемент 26 имел кривизну, совпадающую с кривизной стенки 29 трубы. При использовании, например, металлической пластины размером 50 х 50 мм, кривизна которой аналогична кривизне стенки 29 трубы, эту пластину размещают над проколом 27, и элемент 26 вместе с лежащей ниже частью стенки 29 трубы подвергают воздействию индукционного поля, прикладываемого индукционной катушкой 31, нагревая таким образом покрытие 28. Как только покрытие 28 будет нагрето до необходимой температуры, токоприемный элемент 26 и катушку 31 удаляют и на разогретое покрытие 24 накладывают ремонтную заплату, которая содержит, например, полипропиленовую подкладку 32, как видно из фиг. 3, имеющую на своей нижней стороне связующее покрытие, и которую могут нагревать дополнительно, например, с помощью горячего газа, например, от паяльной лампы или прижимая ремонтную заплату элементом 26 и воздействуя на нее индукционным полем, так что связующее вещество 33 расплавляется и течет, заполняя отверстие 27, как видно на фиг. 3. Затем всему узлу дают остыть.

Для дополнительного пояснения настоящего изобретения ниже приведены сравнительные примеры и пример выполнения.

Сравнительные примеры

Сравнительный пример 1.

Зону шва трубы между трубами, покрытыми полипропиленом, нагревали с помощью индукционного нагрева без использования токоприемного элемента. Шов имел следующие характеристики.

Диаметр трубы 600 мм

Толщина стенки трубы 37,5 мм

Общая длина открытого стального участка (длина участка, на котором нет покрытия) 300 мм

Длина покрытия, которое должно быть нагрето, от края открытого участка 75 мм Толщина покрытия 2,5 мм

Зону шва трубы нагревали с использованием индукционной катушки, а температуру покрытий и стали определяли с применением термопар.

Индукционный нагрев прикладывали до тех пор, пока поверхность покрытия, нагреваемая вследствие теплопроводности расположенной под ней подложки, не достигала температуры 160°С. В этот момент сталь достигала температуры 200°С. Наблюдалось пузырение и расслоение покрытия, которые предотвратили с использованием ограничивающих полос из силиконовой резины, обернутых вокруг покрытия, как описано в упомянутой выше заявке на патент № 09/685788.

Сравнительный пример 2.

Повторили сравнительный пример 1, за исключением того, что толщина покрытия составляла 6,0 мм.

Когда сталь достигла температуры 200°С, температура поверхности покрытия достигла только 90°С, и это было приписано трудностям передачи тепла через толстое покрытие.

Когда температуру стали подняли до 215°С, температура поверхности покрытия достигла 100°С. В последующих экспериментах температуру стали поднимали до 250°С, а температуру покрытия - примерно до 130°С, но при этом наблюдалось много дыма, исходившего из покрытия. Покрытие снаружи зоны опалубки начало пузыриться, а эпоксидная грунтовка на открытом участке стали начала портиться и дымить. Стало очевидно, что требуемая температура поверхности покрытия не может быть достигнута на основе передачи тепла от металлической нижней части.

Пример

Повторили сравнительный пример 2. Однако перед началом индукционного нагрева на покрытие по обе стороны от открытого участка наложили стальную полосу толщиной 1,5 мм и шириной 90 мм. Используя в индукционной катушке частоту 400 Гц, сталь нагрели до 200°С, а температуру покрытия под стальной полосой измеряли с помощью термопары, заделанной в покрытие на глубину 2 мм. Измеренная температура покрытия составила 155°С. После завершения нагрева наложили полипропиленовую усадочную муфту. Было обнаружено, что во время усадки муфты с помощью пропановой паяльной лампы температура покрытия возросла до 168°С. Последовавшая проверка охлажденной муфты показала ее отличное прилипание к покрытию, а также к стали стенки трубы.

В более общем смысле преимущество предлагаемого способа состоит в том, что он позволяет пользователю управлять распределением температуры сварного шва и изменять ее и, более конкретно, температуру, достигаемую на металлической поверхности открытого участка и, соответственно, в покрытии, и может согласовывать изменения в характеристиках конструкции трубопровода, делая различия, например, в том, что касается диаметра трубы, толщины стенки, типа покрытия и толщины покрытия.

Было обнаружено, что такое управление может быть достигнуто путем выбора различных характеристик процесса индукционного нагрева и, более конкретно, токоприемных элементов. Эти характеристики включают следующее.

1. Сопротивление токоприемного элемента.

Материалы с относительно более высоким удельным сопротивлением, такие как сталь, быстрее реагируют на индукционное поле и нагревают намного быстрее по сравнению с материалами со значительно меньшим удельным сопротивлением, например алюминием. Сталь, которую использовали в описанном выше примере, является нержавеющей сталью с удельным сопротивлением порядка 62 мкОм-см. При использовании разомкнутого контура, выполненного в виде полосы, требуемая температура была достигнута за 6 мин при мощности 60 кВт. Следовательно, распределение температуры и скорость нагрева можно изменять путем выбора полосы или другого токоприемного элемента с соответствующим удельным сопротивлением. Обычно токоприемный элемент выполняют из металла, но предполагается, что могут использоваться и проводящие неметаллы.

2. Толщина токоприемного элемента.

Чем больше толщина, тем медленнее рост температуры токоприемного элемента. Требуемую разницу между скоростями нагрева открытой зоны и покрытия, следовательно, можно подобрать путем выбора толщины токоприемного элемента.

3. Время нагрева.

Регулируя мощность индукционной катушки, можно изменять скорость нагрева. Отмечено, что, когда нагрев выполняется с пониженной скоростью, конечная температура поверхности покрытия оказывается выше. Это может быть объяснено тем, что в таком случае имеется больше времени для распространения тепла от металлической полосы (а также от нижней части металлической трубы) в покрытие.

4. Изоляция.

Теплоизолирующий материал, такой как силикат кальция или стекловолокно, может быть помещен под токоприемный элемент и служить уменьшению передачи тепла, позволяя в связи с этим управлять температурой поверхности покрытия.

Предыдущий пример может быть изменен путем применения стеклоткани, покрытой политетрафторэтиленом (товарный знак - Тефлон) и приклеенной к нижней стороне стальной полосы. При использовании тканей разной толщины или степени плотности, например, с гладкой или, напротив, грубой текстурой температура покрытия может быть изменена в требуемую сторону. Ткань, покрытая тефлоном, обеспечивает дополнительное преимущество, действуя как разделяющее вещество, устраняя любые тенденции стальной полосы или другого токоприемного элемента прилипать к покрытию.

Кроме этого было обнаружено, что, когда верхняя часть токоприемного элемента не защищена, нагретый окружающий воздух рассеивает некоторое количество тепла токоприемного элемента. Это может привести к значительным потерям тепла при окружающих температурах ниже нуля. Такие потери тепла могут быть уменьшены или устранены путем размещения теплоизолирующего слоя на верхней стороне токоприемного элемента. Например, для предотвращения потери тепла на верхней поверхности токоприемного элемента может быть размещен теплоизолирующий слой силиката кальция толщиной 10 мм.

5. Перфорированный токоприемный элемент.

Было обнаружено, что уменьшение массы токоприемного элемента, например, при использовании токоприемного элемента, который имеет перфорацию или отверстия, может уменьшить скорость нагрева. В качестве материалов, имеющих перфорацию или отверстия, могут использоваться, к примеру, металлические нити, например моток стальной проволоки, металлическая сетка, например ткани из металлической сетки, такие как плетеная сетка, и перфорированные токоприемные элементы, такие как перфорированные стальные полосы.

6. Разомкнутый или замкнутый контур.

Описанный выше пример выполняли, удерживая нагревающую полосу в виде разомк7 нутой цепи. Это было достигнуто путем размещения электрического изолятора между перекрывающими друг друга концами полосы. В описанном выше примере при 60 кВт нагрев покрытия до 155°С был достигнут за 6 мин. Однако при использовании замкнутого контура, когда перекрывающие друг друга концы были соединены между собой, полоса нагревалась чрезвычайно быстро. Температура в 155°С была достигнута за 35 с. Таким образом, используя разомкнутый или замкнутый контур, можно значительно изменять скорость нагрева.

Можно заметить, что использование токоприемного элемента в соответствии с предлагаемым изобретением включает в себя применение термоусадочных муфт, но не ограничивается им. Другие системы защиты сварных швов, такие как распыляемые в пламени порошки, термоусадочные ленты, приваренные полипропиленовые полосы, обернутые вокруг шва, например полипропиленовые полосы, могут быть наложены на подложки, нагреваемые с помощью предлагаемого способа.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ нагрева покрытия на токопроводящей подложке, включающий наложение на покрытие токопроводящего элемента, который, как и подложка, обладает способностью к индукционному нагреванию, и индукционный нагрев этого элемента и подложки с помощью индуктора.
2. 2. Способ по п.1, в котором на наружной стороне токопроводящего элемента размещают теплоизолирующий материал, а между токопроводящим элементом и покрытием размещают внутренний теплоизолирующий материал.

   Фиг. 1
3. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором токопроводящий элемент выполнен перфорированным и пористым и предпочтительно представляет собой разомкнутый контур.
4. 4. Способ заделки отверстия в покрытии, расположенном на подложке, путем наложения на отверстие покрытия заплаты, отличающийся тем, что осуществляют предварительный нагрев указанного покрытия способом по любому из пп.1-3, по меньшей мере, до температуры активации заплаты или покрытия на этой заплате.
5. 5. Способ по п.4, в котором подложка имеет трубчатую форму, а токопроводящий элемент изгибают в соответствии с кривизной поверхности подложки.
6. 6. Способ наложения покрытия или обшивки на сварной шов между подложками трубчатой формы, имеющими основные покрытия, включающий нагрев указанных подложек и покрытий способом нагрева по любому из пп.13 перед наложением указанного покрытия или обшивки.
7. 7. Способ по п.6, в котором указанная обшивка представляет собой термоусадочную муфту, а токопроводящий элемент выполнен в виде полос, которые накладывают вокруг периметра основных покрытий подложки трубчатой формы вблизи сварного шва.
8. 8. Способ по п.7, в котором покрытия и предметы вблизи сварного шва нагревают, по меньшей мере, до температуры активации муфты или покрытия на муфте.
9. 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором покрытие содержит полиолефин.
10. 10. Способ по п.9, в котором полиолефином является полипропилен.