鮑新愿，張 茜，賈 真，祖之英，魏東鋒

（1.新疆鵬遠新材料股份有限公司，烏魯木齊830000；2.長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗017300；3.山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

鋼管防腐中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)的改進

鮑新愿1，張 茜2，賈 真2，祖之英1，魏東鋒3

（1.新疆鵬遠新材料股份有限公司，烏魯木齊830000；2.長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古 烏審旗017300；3.山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082）

對中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)進行了詳細介紹，分析了改進前水冷系統(tǒng)的概況和存在的問題。針對原水冷系統(tǒng)存在的問題進行了優(yōu)化和改造，增加了純凈水制備設備、閉式冷卻塔，采用了“雙備”和“雙泵”設置以及流量保護設置等，并對改進后的中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)進行了實際應用。應用結果表明，改進后的循環(huán)水冷系統(tǒng)大大減少了設備故障率，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，達到了預期的效果。

鋼管；防腐；中頻感應；循環(huán)水冷系統(tǒng)

鋼管3PE防腐作業(yè)過程中，鋼管除銹前的預熱和鋼管3PE涂覆前的加熱大多使用中頻感應加熱設備來實現(xiàn)。一旦中頻感應加熱設備發(fā)生故障，輕則停產(chǎn)維修，重則造成涂層鋼管報廢。即便是很先進的中頻感應加熱設備在運行期間都必須做好安全維護。大量的運行實踐證明，中頻感應加熱設備的運行故障90%是由于循環(huán)水冷系統(tǒng)問題引起的。將硬度較高的水用在冷卻感應加熱設備中，會縮短設備的使用壽命達30%～50%。

硬度較高的水中Ca2+和Mg2+會在受熱的物體表面結出水垢。水垢會大大降低元器件的傳熱效率，造成電氣元件超溫損壞；水的導電性是另一個嚴重問題，由于感應加熱水冷系統(tǒng)水體帶電，冷卻水高的導電率導致嚴重的電解和腐蝕，致使管內(nèi)污物聚集，使得水的流量減少，影響冷卻，最終導致電氣元件過熱燒壞而停產(chǎn)。

本研究對鋼管防腐中頻感應加熱的水冷系統(tǒng)進行了改進，改進后設備運行良好，可靠性高。

1 中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)介紹

中頻感應加熱設備是一種大功率的電力電子裝置，在工作中會產(chǎn)生大量的熱量，若不及時散熱，會嚴重影響設備的性能和使用壽命。中頻電源、可控硅、平波電抗器、中頻補償電容器、感應線圈、水冷電纜和母排等主要部件都是高電流密度的導電體，在電能傳輸過程中自身會產(chǎn)生熱量，需要用水給予冷卻。目前使用中頻感應加熱設備的部分用戶，因對于水冷系統(tǒng)重視不夠，未按規(guī)定使用純凈水或軟化水，造成設備冷卻部位結垢，局部溫度升高而嚴重影響電器元件的可靠性和使用壽命。研究和實際應用表明，單個半導體元件溫度比正常工作溫度每升高10℃，系統(tǒng)的可靠性就會降低50%。感應加熱電源在正常工作時，可控硅、電容器等器件會產(chǎn)生大量的熱量，如果沒有及時冷卻或冷卻效果差，電氣元件的溫度會急劇上升而燒壞，電容也會由于過熱而造成熱擊穿短路。因此，中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)的好壞直接關系著設備的運行、成本、壽命及穩(wěn)定性等。

1.1 中頻感應加熱設備對水冷系統(tǒng)的要求

1.1.1 對冷卻水水質(zhì)的技術要求

冷卻水質(zhì)要求視覺干凈，無色、透明、不渾濁和無沉淀物；冷卻水為中性或弱堿性，pH值為6～8，碳酸鹽硬度8°DH（德國硬度單位）；導電性最大為600μS/cm，最小為10μS/cm；總溶解固體雜質(zhì)的質(zhì)量濃度＜250 mg/m3，氯化物的質(zhì)量濃度＜20 mg/m3， 硝酸鹽的質(zhì)量濃度＜10 mg/m3，CaCO3的質(zhì)量濃度＜250 mg/m3；無固體雜質(zhì)析出溫度T＜57℃； 25℃下的電阻率＞2 500 Ω。

1.1.2 對水冷系統(tǒng)的技術要求

冷卻水溫度為5～35℃；中頻電源、中頻電容柜和感應加熱圈額定進水壓力大于 0.3 MPa；進出水應有一定的壓力差（0.3～0.4 MPa），保證設備每一個冷卻支路的水在一定的流速下流動，還要避免冷卻水中存在氣泡而影響冷卻效果；需加防凍劑時，絕不可加商用防凍劑（如汽車用防凍劑），它會離子化并在一定電壓下放電。

1.2 中頻感應加熱設備水冷系統(tǒng)的注意事項

（1）結垢溫度。在碳酸鹽硬度為8°DH時，水溫50℃時開始產(chǎn)生磷酸鹽轉變和石灰石沉淀。

（2）水質(zhì)硬度。水質(zhì)全硬度、鈣硬度和鎂硬度的增高，會導致管壁附著量增大，從而會降低銅管的熱傳導率。當銅管的溫度升高時，結垢會加快，會使銅管通水截面減小，降低水流量。

（3）進水溫度。進水溫度并不是越低越好，進水溫度過低會使被冷卻元件表面結露，使電氣絕緣性能下降。

（4）冷卻水純凈度。冷卻水也并非越純越好，純凈蒸餾水不含鹽與雜質(zhì)，其冷卻性能不如稍含鹽的水，水中CaO的含量大于10 mg/L時（相當于1°DH），冷卻效果比純水好，所以要以軟化水為宜。

（5）電阻率。電阻率太低，會導致流經(jīng)感應線圈、水冷電纜及振蕩管陽極內(nèi)的冷卻水流向地線的漏電流變大。

（6）pH值。從防腐蝕作用考慮，pH值高（弱堿性）有益處。當pH值＞7時，CaC03等向冷卻水管內(nèi)的析出量增加，此析出膜有防腐蝕作用；當pH值＞8時，冷卻水管會產(chǎn)生鐵銹；當pH值＜6時，會對銅管產(chǎn)生腐蝕。

（7）氧消耗量。氧消耗量表示微生物含有量，微生物多時，冷卻水管內(nèi)會滋生藻類，易導致冷卻水管堵塞，損壞儀器。當氧消耗量較高時，有必要進行滅菌。

（8）氯離子。氯離子較高時，會引起腐蝕破壞，對銅管進行溶解，對鐵管產(chǎn)生銹蝕。

1.3 常用水冷系統(tǒng)的基本類型

中頻感應加熱設備水冷系統(tǒng)可分為兩大類：直流水冷系統(tǒng)和循環(huán)水冷系統(tǒng)。

1.3.1 直流水冷系統(tǒng)

直流水冷系統(tǒng)的冷卻水使用后直排。同樣的冷卻效果下，直流水冷系統(tǒng)是循環(huán)水冷系統(tǒng)耗水量的40～50倍。由于直流水冷系統(tǒng)用水量大、水的處理量大、處理成本高及可能造成污染等問題，現(xiàn)在已被淘汰。

1.3.2 循環(huán)水冷系統(tǒng)

循環(huán)水冷系統(tǒng)分為密閉式、敞開式和內(nèi)回路密閉外回路敞開3種情況。

（1）密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)指循環(huán)冷卻水不與大氣直接接觸，即采用冷卻水通過發(fā)熱器件進行冷卻的方式。溫度升高的冷卻水的再冷卻是通過一定的換熱器（如蛇管式、板式、螺旋板式、外管式、套管式等）用其他的冷卻介質(zhì)（如水、空氣等）進行冷卻。密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)的特點是冷卻水消耗極小，基本不濃縮。部分3PE防腐的中頻感應加熱設備內(nèi)的回路循環(huán)系統(tǒng)還在采用這一種形式。

（2）敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)的冷卻水通過發(fā)熱器件后成為熱水，熱水經(jīng)過冷卻塔曝氣與大氣接觸，水的蒸發(fā)散熱和接觸散熱使水溫降低，冷卻后的水再循環(huán)使用。敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)在循環(huán)過程中要消耗一部分水，還要排出一定的濃縮水。敞開式循環(huán)水冷系統(tǒng)按帶走熱量的冷卻水與空氣接觸的方式分為冷卻池和冷卻塔。冷卻池的特點是冷卻過程慢、效率低、冷卻幅度小、冷卻水溫差小，需要大的用水量和占地面積、水質(zhì)受污染嚴重、水質(zhì)處理工作量大。冷卻池現(xiàn)在基本不采用，只少量用于鋼管現(xiàn)場防腐移動式作業(yè)線，而在固定防腐廠中，中頻感應加熱設備外回路循環(huán)系統(tǒng)全部采用冷卻塔。冷卻塔可以人工控制氣流來加強空氣與水的對流作用，以提高冷卻效率。冷卻塔具有占地面積小、冷卻效果好、冷卻幅度大及冷卻水溫差大的特點。

（3）具有雙重循環(huán)的水冷系統(tǒng)分為兩種形式。一種是內(nèi)回路為密閉式、外回路為敞開式的水冷系統(tǒng)，換熱器為水—水熱交換形式。內(nèi)回路密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)通的是軟化水或純凈水，進水溫度15～55℃，出水溫度＜75℃，這對延長電器元件的使用壽命，防止電器元件凝露都有好處。內(nèi)回路密閉式循環(huán)水冷系統(tǒng)具有水量較少、便于進行水質(zhì)處理、系統(tǒng)可靠性大和運行成本低的特點，對外回路循環(huán)水質(zhì)的要求不高。另一種是采用噴淋蒸發(fā)形式的氣—水熱交換器或空氣冷卻器形式的氣—水熱交換器，外回路做為降低水溫的一種補充。

2 水冷系統(tǒng)改進前的概況及存在的問題

2.1 改進前的概況

該中頻感應加熱設備采用內(nèi)回路密閉式、外回路敞開式的水冷系統(tǒng)。內(nèi)回路使用市面供應的桶裝飲用水密閉循環(huán)，而外回路則使用當?shù)刈詠硭?。外回路配備板式換熱器、二次循環(huán)水泵、水池及玻璃鋼冷卻塔等冷卻內(nèi)回路桶裝飲用水。外回路循環(huán)冷卻水由車間外部設備冷卻塔供給，冷卻水采用當?shù)刈詠硭?。自來水水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 自來水水質(zhì)參數(shù)

設備冷卻塔使用一根供水主管同時為設備供應冷卻水，并且使用一根回水主管匯集回水。設備冷卻塔、水池與鋼管涂層冷卻塔、水池各自獨立，兩個冷卻塔及水池緊挨并列放置。

2.2 改進前存在的問題

（1）中頻感應加熱設備中的中頻電源、可控硅、電抗器等水冷系統(tǒng)的外回路循環(huán)冷卻水采用的硬度較高的自來水，板式換熱器換熱表面及冷卻塔表面易結垢，嚴重影響換熱能力。隨著熱交換器冷卻效果的不斷降低，內(nèi)部純凈水的溫度不斷升高，造成高溫報警停車，產(chǎn)生廢品管。

（2）反復拆裝并用鹽酸清洗結垢的板式熱交換器，造成換熱器換熱表面腐蝕穿孔和密封不嚴，致使外回路自來水進入內(nèi)回路，使內(nèi)回路純凈水受到污染，導致中頻電源、可控硅、平波電抗器、中頻補償電容器、母排等主要部件加速結垢、堵塞和燒毀。

（3）感應加熱線圈、水冷電纜直接使用硬度較高的自來水循環(huán)冷卻，造成感應線圈銅管內(nèi)壁結垢，冷卻效果降低，嚴重時會堵塞感應加熱圈銅管和水冷電纜，導致水冷失效，燒毀加熱線圈和水冷電纜。

（4）結垢和堵塞的感應加熱圈，采用鹽酸進行浸泡清洗，加速了加熱線圈銅管的腐蝕穿孔。使用鹽酸進行浸泡清洗不但危害人體健康，產(chǎn)生的廢液還會對環(huán)境造成污染。

（5）感應加熱線圈堵塞嚴重而無法通開時，需要判斷出堵塞的位置，將銅管割開，將堵塞處疏通并將其再焊接上。這樣不僅浪費大量的時間，設備的使用性能也會大打折扣。

（6）由于感應加熱線圈、水冷電纜結垢和堵塞，冷卻水溫度急劇上升，造成中頻加熱線圈內(nèi)部的膠管和水冷電纜外護膠管老化、爆管，不但會導致緊急停車、產(chǎn)生廢管，而且飛濺的冷卻水會損壞其他元器件。

（7）設備冷卻塔及其水池雖然與鋼管涂層冷卻塔及其水池是兩套相對獨立的冷卻水系統(tǒng)，但在安裝時兩個冷卻塔及水池緊挨并列放置，生產(chǎn)過程中兩種冷卻水有不同程度的混合，加之冷卻塔和水池長期暴露在車間外，灰塵、雜物進入水池，對設備冷卻水造成嚴重污染，使用此種嚴重污染的冷卻水對設備進行冷卻，會加速電器元件、板式換熱器、設備及冷卻水管路的結垢和堵塞。

（8）設備冷卻塔使用一根供水主管同時為多個設備供應冷卻水，并且使用一根回水主管匯集設備回水。這種方式極易造成以下問題：各分路支管的壓力不平衡，較遠的冷卻支管壓降大；易造成較遠的冷卻支管進出水壓差變小，很難保證設備每一個冷卻支路的水在一定的流速下流動，特別在冷卻管路存在空氣時，較遠的冷卻支管循環(huán)冷卻水流速會變慢甚至不流動；中頻電源、中頻電容和感應加熱圈未實現(xiàn)分路供水，較難保證中頻電源和中頻電容器有低的溫升；在中頻感應加熱設備水冷卻系統(tǒng)中未采用“雙備”設置，設備在正常運行中遇到突然停水時，感應加熱線圈內(nèi)的高溫工件短時難以冷卻，容易導致感應加熱線圈損壞。

3 水冷系統(tǒng)的改進對策和優(yōu)化方案

3.1 純凈水的制備

在中頻感應加熱設備水冷系統(tǒng)中增加純凈水（軟化水）制備設備，連續(xù)供給閉式冷卻塔內(nèi)、外回路循環(huán)水冷系統(tǒng)。純凈水設備工藝流程如圖1所示。

圖1 純凈水設備工藝流程

純凈水制備采用反滲透純水工藝，將原水經(jīng)過精細過濾器、顆?；钚蕴歼^濾器、壓縮活性炭過濾器等，再通過泵加壓，利用孔徑為1/10 000 μm的反滲透膜（RO膜），使較高濃度的水變?yōu)榈蜐舛人?，同時將工業(yè)污染物、重金屬、細菌、病毒等大量混入水中的雜質(zhì)全部隔離，從而得到飲用規(guī)定的純凈水。

3.2 使用閉式冷卻塔

閉式水循環(huán)冷卻塔由主機、水箱、循環(huán)水泵及電控柜等組成。主機由殼體、換熱器（紫銅管）、風機、噴淋水泵、除水器、水槽及管路閥門等零部件組成。

主機主要是內(nèi)部循環(huán)水與冷卻水進行熱交換，主要控制內(nèi)、外循環(huán)水的補水、冷卻塔的進口壓力及根據(jù)冷卻溫度進行自動熱交換等。

閉式水循環(huán)冷卻塔的冷卻介質(zhì)全封閉循環(huán)，可防止冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)損耗。極大降低水損耗，全年水損耗量僅為開式冷卻塔的1/10。采用風冷和噴淋水蒸發(fā)吸熱雙重冷卻方式，冷卻效率高，還可防止雜物進入冷卻管路系統(tǒng)造成結垢和堵水現(xiàn)象，避免出現(xiàn)燒硅、燒電抗器故障。

3.3 采用“雙泵”設置

“雙泵”指中頻電源和中頻電容為一路供水系統(tǒng)，感應加熱線圈為另一路供水系統(tǒng)。由于中頻加熱線圈出水溫度為55℃左右，中頻電源和中頻電容出水溫度在40℃左右，采用 “雙泵”設置可以保證中頻電源和中頻電容器有低的溫升。

3.4 采用 “雙備”設置

“雙備”指有工作泵和備用泵。生產(chǎn)中遇到突然停電或供水水泵故障時，循環(huán)冷卻水不能正常供給，必須有應急水供應來保護中頻感應線圈不被燒毀。采用“雙備”設置能夠迅速給中頻感應圈供水降溫。

3.5 增加流量保護設置

在中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)中除設置水壓保護外，增加流量保護設置。水壓保護對流量減少不起保護作用，因此，流量保護成為現(xiàn)代感應加熱設備的報警元件之一。

另外，在中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)中配置分水器和回水箱，以保證設備的正常供水和回水。將冷卻水系統(tǒng)安裝在獨立的封閉房間內(nèi)，可以避免防腐車間內(nèi)腐蝕性氣體和粉塵的污染腐蝕，又有利于管理和維修。

4 改進后的應用和效果

對山東勝利鋼管有限公司和新疆鵬遠新材料股份有限公司的鋼管3PE防腐機組中頻感應加熱設備的循環(huán)水冷系統(tǒng)進行了改造，經(jīng)過近4年的使用，所有中頻感應加熱設備未出現(xiàn)因水冷系統(tǒng)問題導致的中頻感應設備損壞或停車，大大提高了生產(chǎn)作業(yè)率，減少了設備故障，提高了防腐產(chǎn)品合格率，節(jié)約了材耗，達到了改進和優(yōu)化的預期效果。

5 結 語

優(yōu)質(zhì)可靠的循環(huán)水冷系統(tǒng)，是保證中頻感應加熱設備長期可靠運行、節(jié)能降耗的重要保證。本研究經(jīng)過對中頻感應加熱設備循環(huán)水冷系統(tǒng)的優(yōu)化和改造，大大減少了設備故障率，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率，達到了預期的效果，為鋼管3PE防腐生產(chǎn)提供一定的借鑒。

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Circulating Water-cooling System Improvement of Steel Pipe Anticorrosion Medium Frequency Induction Heating Device

BAO Xinyuan1,ZHANG Qian2,JIA Zhen2,ZU Zhiying1,WEI Dongfeng3
（1.Xinjiang Pengyuan New Material Company,Urumchi 830000,China;2.The Third Gas Gathering Plant,Changqing Oilfield Branch,Uxin Banner 017300,Ordos,Inner Mongolia;3.Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

In this article,it detailedly introduced the circulating water-cooling system of medium frequency induction heating device,and analyzed the general situation and existed problems.Aiming at the existed problems in the original water-cooling system,the optimization and transform were carried out.It added pure water preparation equipment and closed cooling tower,adopted the"double spare pumps"and"double pumps"settings and flow protection settings,the improved circulating water-cooling system of medium frequency induction heating device was used in practice.The application results showed that the improved system greatly reduced equipment failure rate,increased production efficiency and product percent of pass,and achieved the expected effect.

steel pipe;anticorrosion;medium frequency;circulating water-cooling system

TE988

B

1001－3938（2015）09-0056-05

鮑新愿（1961—），男，高級工程師，高級項目管理師，研究員，主要從事管道防腐絕熱技術的開發(fā)和管理工作。

2015-06-02

李 超