唐計龍

(中國第一重型機械股份公司核電石化事業(yè)部，遼寧116113)

加氫反應(yīng)器是石油化工行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，通常運行在高溫、高壓、臨氫、硫化氫等腐蝕介質(zhì)的工作條件下。目前，加氫反應(yīng)器的主體材料普遍選用Cr-Mo合金鋼，主要為2.25Cr-1Mo鋼和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。根據(jù)加氫反應(yīng)器的制造技術(shù)要求，Cr-Mo合金鋼所有承壓的焊接接頭焊后應(yīng)進行中間消應(yīng)力熱處理，不得用消氫處理代替。對于反應(yīng)器的頂部彎管和底部彎管焊縫來說，在焊縫焊接完成后需維持預(yù)熱溫度直至進熱處理爐做中間熱處理，造成熱處理爐負(fù)荷大，工件吊裝轉(zhuǎn)運次數(shù)多，生產(chǎn)周期長，消耗大量的液化氣、柴油和電力資源。

近幾年，隨著感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，這種高效、節(jié)能、環(huán)保型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于管道的焊接和熱處理。本文采用電磁感應(yīng)加熱設(shè)備對厚壁管進行局部中間熱處理工藝試驗，找出影響電磁感應(yīng)加熱效果的主要因素，制定出合理的頂部、底部彎管焊后中間熱處理工藝。

1 電磁感應(yīng)加熱原理

電磁感應(yīng)加熱是將工件置于有足夠功率輸出的通有一定頻率交流電的感應(yīng)線圈中，由于電磁感應(yīng)而在工件中形成強大的感應(yīng)電流(渦流)從而使工件加熱的一種方法。根據(jù)頻率不同分為高頻(f≥100 kHz)、超音頻(f=10 kHz～100 kHz)、中頻(f<10 kHz)、低頻(f=50 Hz)。高頻及超音頻主要用于表面淬火，中頻廣泛用于金屬的焊接熱處理加熱，低頻主要用于對大工件的整體加熱、退火等。

電磁感應(yīng)加熱具有以下特點：

(1)集膚效應(yīng)。在感應(yīng)加熱時，當(dāng)線圈中通以一定頻率的交流電時，由于電磁感應(yīng)，工件中的渦流密度隨磁場強度由表面向內(nèi)層逐漸減小而相應(yīng)減小的現(xiàn)象。集膚效應(yīng)跟頻率有關(guān)，頻率越大，集膚效應(yīng)越明顯。

(2)臨近效應(yīng)。兩個相鄰的通以交流電的導(dǎo)體，由于磁場的相互影響而使導(dǎo)體中的電流重新分配，當(dāng)相鄰導(dǎo)體為同向電流時，最大電流出現(xiàn)在導(dǎo)體外側(cè)，反之，最大電流出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)。臨近效應(yīng)對感應(yīng)加熱是有利的，但當(dāng)工件與線圈間隙不均勻時，會導(dǎo)致電流分布不均勻而造成對工件的不均勻加熱。

(3)圓環(huán)效應(yīng)。交流電通過圓環(huán)形線圈傳輸，最大電流密度會出現(xiàn)于線圈內(nèi)側(cè)。圓環(huán)效應(yīng)對加熱圓柱形工件是有利的。

圖1 工件簡圖Figure 1 Schematic diagram of workpiece

圖2 工件附偶、保溫及線圈纏繞示意圖Figure 2 Schematic diagram of workpiece with coupling, thermal insulation cotton and coil winding

2 試驗過程

加氫反應(yīng)器的頂部彎管與底部彎管壁厚一般在50 mm左右，內(nèi)徑在200 mm～300 mm之間。選用如圖1所示工件進行熱處理試驗，工件材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。

電磁感應(yīng)設(shè)備功率為P=30 kW，頻率f=900 Hz，加熱電纜通水冷卻。

工件加熱區(qū)域內(nèi)外鋪設(shè)保溫棉，外表面附一支控制偶，內(nèi)表面附一支監(jiān)測偶，線圈以外表面的控制偶為中心纏繞，如圖2所示。

熱處理工藝曲線如圖3所示。

準(zhǔn)備5組試驗(表1)，按照圖3所示熱處理曲線進行試驗，記錄實際工件熱處理曲線并分析結(jié)果。

圖3 熱處理曲線Figure 3 Heat treatment curve

線圈纏繞匝數(shù)/匝升溫速度/(℃/h)第一組第二組第三組第四組第五組4812883030306090

3 試驗結(jié)果及分析

觀察第一組熱處理曲線發(fā)現(xiàn)，工件在升溫過程中內(nèi)外溫差平均在60℃，在保溫期間內(nèi)外溫差為50℃。隨著保溫時間的延長，內(nèi)外溫差沒有進一步縮小，不符合保溫期間內(nèi)外溫差為30℃的工藝要求。

觀察第二組熱處理曲線發(fā)現(xiàn)，工件在升溫過程中內(nèi)外溫差平均在40℃，在保溫期間內(nèi)外溫差為20℃，符合工藝要求，試驗記錄如圖4所示。

第三組熱處理曲線與第二組熱處理曲線基本相同，但是在試驗過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備水溫明顯升高，工件升溫較第二組試驗困難。

圖4 第二組熱處理試驗記錄(升溫與保溫)Figure 4 The test records for the second group of heat treatment (heating and thermal insulation)

第四組與第五組熱處理曲線同樣與第二組曲線基本相同。

通過以上5組熱處理試驗可知，線圈匝數(shù)是影響內(nèi)外溫差的最主要因素，線圈匝數(shù)越多，加熱區(qū)域越大，工件在升溫過程中以及保溫過程中的內(nèi)外溫差越小。

在線圈匝數(shù)一定的情況下，升溫速度對工件升溫和保溫過程中的內(nèi)外溫差幾乎沒有影響，不會出現(xiàn)由于升溫速度過快導(dǎo)致內(nèi)外溫差增大，進而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力的情況，所以可以在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)增大升溫速度，提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

(1)線圈匝數(shù)是影響升溫過程和保溫過程內(nèi)外溫差的最主要因素，但是，也不能盲目的為了減小內(nèi)外溫差而增多線圈匝數(shù)，否則容易出現(xiàn)溫度升不上去的現(xiàn)象。

(2)升溫速度對熱處理曲線影響較小，在實際生產(chǎn)中可以在標(biāo)準(zhǔn)允許的升溫速度范圍內(nèi)選擇較快的升溫速度，提高生產(chǎn)效率。

(3)工件內(nèi)外需采取較好的保溫措施，盡可能的增大保溫棉的覆蓋區(qū)域。