NO175888B

NO175888B - Method and apparatus for heating a mechanical compound

Info

Publication number: NO175888B
Application number: NO924322A
Authority: NO
Inventors: Truls Larsen
Original assignee: Elva Induksjon As
Priority date: 1992-11-10
Filing date: 1992-11-10
Publication date: 1994-09-19
Also published as: NO924322D0; NO175888C; NO924322L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for innvendig oppvarming av en mekanisk forbindelse, hvori inngår en bolt med et aksielt forløpende senterhull, for avspenning ved montering eller demontering av forbindelsen. The present invention relates to a method and a device for the internal heating of a mechanical connection, which includes a bolt with an axially extending central hole, for relaxation during assembly or disassembly of the connection.

Slik oppvarming tas vanligvis i bruk i flere konstruksjoner der boltene etter montering skal stå under vesentlig strekk-påkjenning, og der løsning av boltene oftest kun er mulig etter oppvarming for å lette påkjenningen. Such heating is usually used in several constructions where the bolts must be under significant tensile stress after assembly, and where loosening of the bolts is usually only possible after heating to ease the stress.

Turbinhus til for eksempel dampturbiner i kraftverk er produsert i 2 deler som er forbundet med kraftige bolter med typiske dimensjoner diameter 50 - 100 mm og lengder fra 0,4 - 1,4 m. Ved sammenmontering spennes boltene opp ved at de monteres varme, mutteren trekkes inntil og under avkjøling oppnås strekk i boltene. Når det velges riktig bolttemperatur ved montering oppnås tilsiktet strekk i boltene. Typisk strekk i boltene tilsvarer en forlengelse på 2% o . Turbine housings for, for example, steam turbines in power plants are produced in 2 parts which are connected by strong bolts with typical dimensions of diameter 50 - 100 mm and lengths from 0.4 - 1.4 m. During assembly, the bolts are tightened by fitting them hot, the nut is pulled until and during cooling tension is achieved in the bolts. When the correct bolt temperature is selected during assembly, the intended tension is achieved in the bolts. Typical tension in the bolts corresponds to an extension of 2% o .

Boltene har innvendig senterhull. Ved demontering benyttes dette hullet for å plassere en varmekilde inne i bolten. Bolten varmes opp inntil strekket forsvinner og mutter kan løses. Dersom boltene skal anvendes om igjen må ikke oppvarmingen skje for raskt da for stor temperaturdifferanse mellom senterhull og ytterflate kan introdusere spenninger som overstiger materialets flytegrense. Temperaturen inne i hullet må heller ikke bli så høy at varmepåvirkningen endrer materialets egenskaper. The bolts have an internal center hole. During disassembly, this hole is used to place a heat source inside the bolt. The bolt is heated until the tension disappears and the nut can be loosened. If the bolts are to be used again, the heating must not take place too quickly, as too large a temperature difference between the center hole and the outer surface can introduce stresses that exceed the material's yield strength. The temperature inside the hole must also not be so high that the effect of heat changes the material's properties.

På den andre"siden må effekttilførselen være så stor at bolten blir varm før varmen i for stor grad ledes ut i omliggende konstruksj on. On the other side, the power input must be so great that the bolt gets hot before the heat is conducted to a large extent into the surrounding construction.

I dag anvendes ulike metoder, men alle lider av endel ulemper eller svakheter. Different methods are used today, but all suffer from certain disadvantages or weaknesses.

1. Varmluft blåses ved hjelp av en lanse inn i boltens senterhull. Varmluft-oppvarmingen vil-imidlertid også varme boltens gjengeparti og mutter mye. Dette vanskeliggjør løsning, avskruing og fjerning av mutteren. Dessuten er det vanskelig å få tilført tilstrekkelig effekt for minimum demonteringstid. 2. Motstandselementer stikkes ned i hullet og effekten overføres hovedsakelig ved stråling fra varmeelementet til overflaten i boltens hull. Ulempen ved motstandselementene er at de er sårbare fordi man må operere med svært høy element-temperatur for å få overført tilstrekkelig effekt. Elementene har svært begrenset levetid og det hender at de brenner seg fast i hullet og forårsaker lang opprenskningstid. 3. Flammevarming ved at brennbar gassblanding tilføres gjennom en lanse i hullet. Samme ulempe som ved varmluft foreligger ved at en større del av bolten enn det som er ønskelig oppvarmes og den er vanskelig å kontrollere. 1. Hot air is blown into the center hole of the bolt using a lance. The hot air heating will, however, also heat the threaded part of the bolt and the nut a lot. This makes it difficult to loosen, unscrew and remove the nut. In addition, it is difficult to supply sufficient power for minimum disassembly time. 2. Resistance elements are inserted into the hole and the effect is transferred mainly by radiation from the heating element to the surface of the bolt's hole. The disadvantage of the resistance elements is that they are vulnerable because you have to operate at a very high element temperature in order to transfer sufficient power. The elements have a very limited lifespan and sometimes they burn into the hole and cause a long cleaning time. 3. Flame heating by supplying a combustible gas mixture through a lance in the hole. The same disadvantage as with hot air exists in that a larger part of the bolt than is desirable is heated and it is difficult to control.

Dampturbinen i kraftverk må regelmessig inspiseres eller overhales, typisk annethvert år. For å begrense den tiden anlegget er ute av produksjon, er det viktig å ha en metode for demontering og montering av de nevnte boltene som er pålitelig, kontrollerbar og som ikke hindrer de andre operasjonene som må foregå. Ved demontering settes det på boltens mutter en nøkkel som påvirkes med et kraftig slagverktøy. Mot slutten av varmetiden påvirkes nøkkelen av slagverktøyet med jevne mellomrom og når spennet i bolten er i ferd med å løsne registreres dette på lydresponsen når slagverktøyet opereres og mutteren vil kunne løsnes med slagverktøyet. The steam turbine in power plants must be regularly inspected or overhauled, typically every two years. In order to limit the time the plant is out of production, it is important to have a method for disassembling and assembling the aforementioned bolts which is reliable, controllable and which does not hinder the other operations that must take place. During disassembly, a key is placed on the bolt's nut, which is affected with a powerful impact tool. Towards the end of the heating time, the key is affected by the impact tool at regular intervals and when the tension in the bolt is about to loosen, this is registered on the sound response when the impact tool is operated and the nut will be able to be loosened with the impact tool.

Den foreliggende oppfinnelse tilsikter å overvinne de nevnte ulemper ved oppvarming, og den innledningsvis nevnte fremgangsmåte og anordning kjennetegnes ved de trekk som fremgår av patentkravene, samt av den utførelsesform som er nærmere beskrevet i den etterfølgende beskrivelse, med henvisning til de vedlagte tegninger, idet denne uførelsesform er å anse som et for oppfinnelsen ikke-begrensende utførelseseksempel. Fig. 1 viser en typisk boltforbindelse med mutter i begge ender. Fig. 2 viser tilsvarende boltforbindelse som i fig. 1, gjenget i gods i en ende og med én avtagbar mutter. The present invention aims to overcome the aforementioned disadvantages of heating, and the initially mentioned method and device is characterized by the features that appear in the patent claims, as well as by the embodiment that is described in more detail in the following description, with reference to the attached drawings, as this non-embodiment is to be considered a non-limiting example of the invention. Fig. 1 shows a typical bolt connection with nuts at both ends. Fig. 2 shows a corresponding bolt connection as in fig. 1, threaded in goods at one end and with one removable nut.

Fig. 3 viser en anordning, ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 shows a device according to the invention.

Fig. 4 viser snitt IV-IV i fig. 3. Fig. 4 shows section IV-IV in fig. 3.

Fig. 5 viser snittet V-V i fig. 3. Fig. 5 shows the section V-V in fig. 3.

Det vil umiddelbart forstås at f .eks. en turbin vil ha et stort antall av slike boltforbindelser som må løsnes når turbinen skal åpnes. It will immediately be understood that e.g. a turbine will have a large number of such bolted connections which must be loosened when the turbine is to be opened.

Den foreliggende oppfinnelse går ut på å benytte induksjonsoppvarming for å varme opp boltene 1. Med induksjonsoppvarming oppnås en metode hvor effekttilførselsen kan kontrolleres nøye. Ved hjelp av spoleutformingen kan varmesonens lengde tilpasses slik at kun ønsket del av bolten oppvarmes. Varmesyklusen kan optimeres med tanke på minimum demonteringstid innenfor de begrensninger som maksimal temperaturdifferanse og maksimums temperatur tillater. Gjengeparti 2 og mutter 3 vil ikke bli nevneverdig oppvarmet, hvilket bedrer arbeidsmiljøet og letter avskruing og fjerning av mutter 3. Ifølge oppfinnelsen er metoden nøye styrbar, og kan den også anvendes ved montering. The present invention involves using induction heating to heat the bolts 1. With induction heating, a method is achieved where the power supply can be carefully controlled. Using the coil design, the length of the heating zone can be adjusted so that only the desired part of the bolt is heated. The heating cycle can be optimized with regard to the minimum disassembly time within the limitations allowed by the maximum temperature difference and maximum temperature. Threaded part 2 and nut 3 will not be significantly heated, which improves the working environment and facilitates the unscrewing and removal of nut 3. According to the invention, the method is carefully controllable, and it can also be used during assembly.

Som fig. 1 og 2 viser har bolten noe redusert diameter i det partiet 5 (fig. 1), hhv. 5' (fig. 2) den skal varmes slik at det blir en luftspalte mellom bolten og omliggende metall. Når vi skal studere temperaturfordelingen i varmesonen i bolten, kan vi derfor neglisjere varmetapet fra boltens ytre sylinderflate. Tilføres det en effekt pr. lengdeenhet av bolten lik P/l jevnt fordelt over hullets 4 sylinderflate beregnes i varmesonens senter en temperaturdifferanse A6h.0 mellom hullets overflate og boltens ytterflate etterat den første transiente oppvarmingsperioden er over av følgende formel: As fig. 1 and 2 show, the bolt has a somewhat reduced diameter in that part 5 (fig. 1), respectively. 5' (fig. 2) it must be heated so that there is an air gap between the bolt and the surrounding metal. When we study the temperature distribution in the heating zone in the bolt, we can therefore neglect the heat loss from the bolt's outer cylinder surface. If an effect is added per length unit of the bolt equal to P/l evenly distributed over the 4 cylindrical surface of the hole, a temperature difference A6h.0 between the surface of the hole and the outer surface of the bolt is calculated in the center of the heating zone after the first transient heating period is over by the following formula:

Ut fra største tillatte temperaturdifferanse bestemmes maksimal effekt pr. lengdeenhet: Based on the largest permitted temperature difference, the maximum power per unit of length:

Middeltemperaturen bestemmes ut fra en massebetraktning: The mean temperature is determined from a mass consideration:

t - tid t - time

A - varmeledningsevne A - thermal conductivity

P/l - effekt tilført pr. lengdeenhet P/l - power supplied per unit of length

m/l - boltens masse pr. lengdeenhet m/l - mass of the bolt per unit of length

D - boltens ytre diameter D - the outer diameter of the bolt

d - diameter av boltens hulrom d - diameter of the bolt cavity

r - spesifikk vekt av bolten r - specific weight of the bolt

c - spesifikk varmekapasitet for bolten c - specific heat capacity of the bolt

Fig. 3 viser en for oppfinnelsen ikkebegrensende utf ørelsesf orm av anordningen. Anordningen har en spole 6 formet som en hårnålskonstruksjon der de parallelle deler 6', 6" derav hver har en tilnærmet halvsirkelform. Den spalte 7 som dannes mellom de parallelle deler av hårnålskonstruksjonen kan ha en dimensjon i størrelsesorden 1-5 mm, fortrinnsvis 2-3 mm i varmesonen 8, slik som vist ved snittet IV-IV i fig. 4. I denne varmesone legges det inn et kjernemateriale i spalten, f.eks. av ferritt, jernpulver eller trafoblikk. Utenfor varmesonen, ved tilførselen 9 til varmespolen 6 er det hensiktsmessig å redusere spaltens 7 bredde til 0,5-1 mm og fylle denne med et elektrisk isolerende materiale, f .eks. PTFE, slik som vist i snittet V-V i fig. 3, jfr. fig. 5. Strøm-forsyning til spolen 6 skjer fra en transformator 10 via nevnte tilførsel 9. Fig. 3 shows a non-limiting embodiment of the device for the invention. The device has a coil 6 shaped like a hairpin structure where the parallel parts 6', 6" each have an approximately semicircular shape. The gap 7 which is formed between the parallel parts of the hairpin structure can have a dimension of the order of 1-5 mm, preferably 2- 3 mm in the heating zone 8, as shown by section IV-IV in Fig. 4. In this heating zone, a core material is inserted into the gap, for example of ferrite, iron powder or transformer tin. Outside the heating zone, at the supply 9 to the heating coil 6 is it appropriate to reduce the width of the gap 7 to 0.5-1 mm and fill it with an electrically insulating material, e.g. PTFE, as shown in section V-V in Fig. 3, cf. Fig. 5. Power supply to the coil 6 takes place from a transformer 10 via said supply 9.

Spolen 6 isoleres utvendig med en varmebestandig strømpe 11, f.eks. av glassfiber. Nevnte parallelle deler 6', 6" er fortrinnsvis utformet av kopperrør med D-formet tverrsnitt, der kjølevæske, f.eks. vann kan sirkulere i rørkanalene 12 og 13. The coil 6 is insulated on the outside with a heat-resistant stocking 11, e.g. of fiberglass. Said parallel parts 6', 6" are preferably made of copper pipes with a D-shaped cross-section, where coolant, e.g. water, can circulate in the pipe channels 12 and 13.

Temperaturen vil avta i hver ende av varmesonen 5 (fig. 1) eller 5' (fig. 2) på bolten på grunn av varmeledning i boltens lengderetning. Men i de fleste tilfeller er varmesonen så lang at formlene vil gi et riktig bilde av temperaturene i boltens tverrsnitt i varmesonens senter hvor de største temperatur-differansene og maksimaltemperaturen vil oppstå. The temperature will decrease at each end of the heating zone 5 (fig. 1) or 5' (fig. 2) on the bolt due to heat conduction in the bolt's longitudinal direction. But in most cases, the heating zone is so long that the formulas will give a correct picture of the temperatures in the cross-section of the bolt in the center of the heating zone, where the biggest temperature differences and the maximum temperature will occur.

Induksjonsspolene 6 som anvendes bør fordele varmen best mulig over bolthulrommets overflate, bør videre være robust og må la seg realisere for hulldimensjonen ned til 12 mm diameter. The induction coils 6 that are used should distribute the heat as best as possible over the surface of the bolt cavity, should also be robust and must be feasible for hole dimensions down to 12 mm diameter.

Claims

1. Method for internal heating of a mechanical connection, which includes a bolt (1) with an axially extending central hole (4), for relaxation during assembly or disassembly of the connection, characterized in that in said central hole. (4) an induction coil (6) is introduced, and that the bolt is heated by induction heating caused by the supply of electrical energy to the coil (6).

2. Method as stated in claim 1, characterized in that the induction coil (6) is supplied with a power per unit length of the bolt given by where the maximum permissible power per unit length is and where AØh-o max is the largest permitted temperature difference between the surface of the hole and the outer surface of the bolt,

9 is the mean temperature of the bolt D is the outer diameter of the bolt d is the diameter of the bolt cavity r is the specific weight of the bolt c is the bolt's specific heat capacity A is thermal conductivity t is time.

3. Method as stated in claim 1 or 2, characterized in that the bolt (1) has an internal bore (4) which has a diameter greater than 12 millimetres.

4. Device for internal heating of a mechanical connection which includes a bolt (1) with an axially extending center hole (4), for tension release during assembly or disassembly, characterized in that it consists of an induction coil with supply conductors (9), said induction coil (6) and supply conductors (9) are together designed approximately as a hairpin structure, with the parallel parts (6', 6") of the coil as well as said supply conductors respectively having an intermediate gap (7) which in the coil part is filled with a ferromagnetic material and in the supply conductor part is filled with an electrically insulating material.

5. Device as stated in claim 4, characterized in that said parallel parts and supply conductors (6', 6") are each tubular, with coolant being arranged to flow through the channels in said parts and conductors.

6. Device as specified in claim 4 or 5, characterized in that said parts and conductors are made of copper.

7. Device as stated in claim 4 or 5, characterized in that said coil is surrounded by an insulating layer (11) of heat-resistant material, e.g. a fiberglass stocking.

8. Use of a device as stated in claims 4 to 7 for induction heating of bolts provided with central holes in turbines or other constructions in order to remove the tension in the bolts for disassembly by thermal expansion.

9 . Use of a device as specified in claims 4 to 7 for induction heating of bolts provided with central holes for turbines or other structures to give the bolts an expansion before the bolt is fixed, possibly with the help of a nut.