電阻加熱和感應(yīng)加熱在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用對(duì)比

■ 汪 彬，程顯平，呂 增，呂志軍，陳 哲，閔祥軍

1. 背景

海洋大型結(jié)構(gòu)件具有大厚度、大拘束度等特點(diǎn)。為保證焊接接頭的質(zhì)量，在焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，并保持層間溫度。溫度是保證焊接質(zhì)量的重要因素，而加熱設(shè)備的效果和能力又直接影響到保溫的效果，因此加熱設(shè)備的選擇對(duì)焊接質(zhì)量控制十分重要。

目前焊接工程中常用的加熱方式主要有三種：焊炬加熱、電阻加熱及電磁感應(yīng)加熱。本文結(jié)合焊接工程實(shí)際對(duì)感應(yīng)加熱和電阻加熱兩種常用的加熱方式進(jìn)行了分析，總結(jié)出各自的優(yōu)勢(shì)及在使用過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。從加熱均勻性和加熱效率等方面對(duì)兩種方式進(jìn)行了對(duì)比分析，以方便不同的工程項(xiàng)目結(jié)合自身特點(diǎn)來(lái)選擇不同的加熱方式。

圖1 環(huán)縫及加強(qiáng)環(huán)焊接時(shí)的預(yù)熱與保溫

圖2 空間TKY節(jié)點(diǎn)預(yù)熱保溫時(shí)加熱片布置

2. 電阻加熱設(shè)備

電阻加熱是目前應(yīng)用最廣泛的一種加熱形式，是利用加熱片的電阻熱通過(guò)熱傳導(dǎo)對(duì)工件進(jìn)行加熱。

電阻加熱器適用于各類(lèi)節(jié)點(diǎn)形式，能滿足不同材料的預(yù)熱要求。圖1是利用電阻加熱器對(duì)某導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊前預(yù)熱。

對(duì)于某些受到空間限制的結(jié)構(gòu)，例如高空的TKY節(jié)點(diǎn)，加熱片只能布置在臨近焊縫的位置，影響了加熱效果，升溫緩慢，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常輔助焊炬加熱。圖2是空間TKY節(jié)點(diǎn)預(yù)熱時(shí)加熱片的布置情況。

從項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，電阻加熱器具備功率大、加熱片可靈活布置等優(yōu)點(diǎn)，但是能量利用率低，空間布置有安全隱患。主要存在以下問(wèn)題：

（1）預(yù)熱不均勻。靠熱傳導(dǎo)難以達(dá)到均勻一致的預(yù)熱溫度。

（2）能量利用率低，熱損耗嚴(yán)重。

（3）準(zhǔn)備工作與輔助工序復(fù)雜，并存有安全隱患。

（4）對(duì)于復(fù)雜的空間TKY節(jié)點(diǎn)，加熱片不易布置。

3. 感應(yīng)加熱設(shè)備

感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理。電纜中的中頻電流會(huì)感生出變化的磁場(chǎng)，工件處在該變化的磁場(chǎng)中，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件加熱。其原理圖如圖3所示。利用感應(yīng)加熱，工件溫升均勻，加熱效率高，速度快。加熱線圈本身并不發(fā)熱，使用中更加安全。

近年來(lái)，感應(yīng)加熱設(shè)備在海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用越來(lái)越多，為了對(duì)比兩種加熱方式的不同應(yīng)用特點(diǎn)，分別對(duì)兩種加熱設(shè)備在環(huán)縫及TKY節(jié)點(diǎn)預(yù)熱方面設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn)，從溫度分布的均勻性及效率兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖3 中頻感應(yīng)加熱設(shè)備原理

圖4 電阻加熱測(cè)溫點(diǎn)分布示意

圖5 感應(yīng)加熱管環(huán)縫焊接預(yù)熱

圖6 環(huán)縫預(yù)熱時(shí)的溫度分布

表1 電阻加熱器各測(cè)溫點(diǎn)溫度分布

表2 感應(yīng)加熱器各測(cè)溫點(diǎn)溫度分布

4. 溫度均勻性對(duì)比

環(huán)縫的試驗(yàn)選取規(guī)格為φ2800mm×80mm的導(dǎo)管。

傳統(tǒng)電阻加熱方式對(duì)此導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)熱采用8片加熱片均勻布置在導(dǎo)管外壁，每個(gè)加熱片功率為10kW。測(cè)溫點(diǎn)分布如圖4所示，具體升溫?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

感應(yīng)加熱管環(huán)縫焊接預(yù)熱及測(cè)溫點(diǎn)分布如圖5所示，具體升溫?cái)?shù)據(jù)如表2所示。

圖6是兩種加熱方式的溫度分布曲線的對(duì)比。感應(yīng)加熱在每個(gè)時(shí)間段的均勻性都要好于電阻加熱。

TKY節(jié)點(diǎn)預(yù)熱試驗(yàn)選擇某導(dǎo)管架項(xiàng)目的低空TKY坡口。主管規(guī)格為φ2000 mm×80mm， 支管規(guī)格為φ1067mm×32mm。熱電偶布置以及測(cè)溫點(diǎn)分布情況如圖7所示 。兩種加熱設(shè)備的溫度分布情況分別如表3、表4所示。

從表3、表4中可看出，感應(yīng)加熱最終溫度較均勻，最高和最低溫度差不超過(guò)5℃。而電阻加熱，在每個(gè)時(shí)間段的溫度都有較大波動(dòng)，最終的溫度偏差最大為28℃。圖8是兩種加熱方式在不同時(shí)間段的溫度分布曲線，感應(yīng)加熱的均勻性明顯好于電阻加熱。

圖7 TKY節(jié)點(diǎn)焊接預(yù)熱

圖8 TKY預(yù)熱時(shí)的溫度分布

5. 效率對(duì)比

在導(dǎo)管的預(yù)熱試驗(yàn)中，中頻感應(yīng)加熱從開(kāi)始準(zhǔn)備到達(dá)設(shè)定溫度，共需要102min。其中安裝設(shè)備、布置電纜由2名工人花費(fèi)19min，純加熱時(shí)間75min。拆卸工作由2名工人在8min之內(nèi)完成，加熱共耗電50kW·h。

而利用傳統(tǒng)電阻加熱方式共耗時(shí)170min左右，其中布置加熱片需要40min，拆卸需要30min，至少需要1名焊工、2名電工。純加熱時(shí)間約100min。焊接完成后，對(duì)點(diǎn)焊角鐵的部位要進(jìn)行打磨處理，并作磁粉無(wú)損檢測(cè)，工序復(fù)雜繁冗。

表5是對(duì)兩種加熱方式在準(zhǔn)備工作和輔助工序的對(duì)比情況。感應(yīng)加熱效率比電阻加熱效率提高40%左右，耗電量只有電阻加熱的39%。

表3 TKY節(jié)點(diǎn)感應(yīng)加熱升溫?cái)?shù)據(jù)

表4 TKY節(jié)點(diǎn)電阻加熱預(yù)熱升溫?cái)?shù)據(jù)

表5 兩種加熱方式用時(shí)對(duì)比

6. 感應(yīng)加熱的特點(diǎn)分析

通過(guò)試驗(yàn)及工程應(yīng)用實(shí)踐，從加熱效率與效果等方面來(lái)看，中頻感應(yīng)加熱比傳統(tǒng)的電阻加熱具有較大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）加熱均勻 中頻感應(yīng)加熱利用電磁感應(yīng)從內(nèi)部開(kāi)始加熱，能保證溫度一致。

（2）安裝方便 感應(yīng)加熱布線簡(jiǎn)單方便，準(zhǔn)備工作易完成。

（3）節(jié)能減排 避免了電阻加熱方式產(chǎn)生的能量損耗，能量利用率高。

（4）安全性好 電磁線圈并不發(fā)熱，改善了工人工作環(huán)境。

在實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)中，特別是在現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)施工中，感應(yīng)加熱設(shè)備的應(yīng)用還存在一些限制，主要問(wèn)題如下：

一是設(shè)備額定功率較小，加熱能力有限。由于功率一般只有36kW，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在加熱大型結(jié)構(gòu)件時(shí)，很難發(fā)揮出感應(yīng)加熱設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。若想達(dá)到最好的效果，就只能引進(jìn)兩臺(tái)或更多的感應(yīng)加熱設(shè)備同時(shí)工作，增加了一次性投入。

二是不適用于高空作業(yè)。由于電源線長(zhǎng)度有限，內(nèi)有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，所以被加熱工件不能離感應(yīng)加熱設(shè)備太遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)只能是低空作業(yè)。

三是對(duì)于某些復(fù)雜節(jié)點(diǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于感應(yīng)加熱需要首先纏繞感應(yīng)線圈，對(duì)于某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件無(wú)法布線，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)熱。

7. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備在加熱效率、溫度均勻性等方面具有難以比擬的優(yōu)勢(shì)，但是同時(shí)具備一些應(yīng)用限制，比較適合于中等管徑的管環(huán)縫焊接的預(yù)熱、保溫及熱處理，各種工藝管線的熱處理及預(yù)熱，以及預(yù)制階段管徑較小馬鞍口(非高空)的預(yù)熱、焊后熱處理、后熱等。