大口徑彎管機(jī)中頻加熱系統(tǒng)改進(jìn)

馬燕 張文生 蘇強(qiáng)

摘要：針對彎制大口徑、厚壁鋼管時中頻加熱系統(tǒng)存在的不足，分析了造成中頻加熱系統(tǒng)輸出功率和加熱效率低的原因，重新對加熱系統(tǒng)的過電流部件及用電部分進(jìn)行了合理、更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精確加工，使輸出功率得到大大提高，輸出效率得到很大改善。

關(guān)鍵詞：中頻加熱系統(tǒng)；輸出功率；效率

高壓、大口徑管道的飛速發(fā)展要求管道用鋼管向大口徑、高鋼級、厚壁延展，也要求管道用彎管具有大口徑、厚壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大口徑、厚壁彎管的熱煨制要求中頻彎管機(jī)組具備大推力、高輸出功率和高效率的特點(diǎn)。中頻加熱輸出功率作為彎管機(jī)組的加工能力重要指標(biāo)，其輸出功率必須達(dá)到一定值時才能滿足大口徑、厚壁彎管工藝的要求，否則彎制無法進(jìn)行。有時采用降低速度的方法，以求減小輸出功率的需求，這樣不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)效率極低，主要是直接影響了彎管的力學(xué)性能和內(nèi)在質(zhì)量。

1 彎制大口徑、厚壁鋼管時出現(xiàn)的問題

大口徑、厚壁鋼管的熱煨，由于鋼管單位重量大，加熱到彎制溫度需要的熱量大，故而要求需要彎管機(jī)組的中頻電源有效輸出功率達(dá)到一定的要求，在大口徑彎管機(jī)進(jìn)行整體加熱、隔音操作間組裝改造后，中頻加熱系統(tǒng)出現(xiàn)了以下問題：

（1）有效輸出功率下降至不足額定輸出功率的60%；

（2）經(jīng)測算中頻加熱系統(tǒng)的效率不足28%；

（3）當(dāng)鋼管單位重量超過890Kg/m時，60%（710kW）的輸出功率不能保證正常煨制工藝的需求。

2 造成中頻加熱系統(tǒng)輸出功率低和加熱效率低的原因分析

中頻加熱系統(tǒng)電流傳送路線如下：

中頻加熱系統(tǒng)包括中頻電源、送電水電纜、中頻變壓器、變壓器自身連接板及與線圈之間的連接銅排、加熱線圈。中頻電源的作用就是把三相50Hz的工業(yè)電通過慮波、整流、逆變轉(zhuǎn)換為兩相的中頻頻率輸出電源。通過查詢相關(guān)磁場、電氣、電阻等基本原理知識資料及現(xiàn)場檢測分析，發(fā)現(xiàn)中頻電源輸出功率上不去、加熱效率低的原因包括；（1）中頻電源至用電設(shè)備傳輸過程中感抗和漏磁阻抗值大；（2）熱煨鋼管和加熱線圈配套性差；（3）傳輸通道中的元件及連接面間電阻值大；（4）用電終端能量利用率低。

中頻電源輸出頻率為500～2000Hz的中頻頻率，輸出電路中感抗和漏磁阻抗會阻礙電流向線圈流動，使電路產(chǎn)生電壓降，電流和頻率越大，產(chǎn)生的磁通損失越多，漏磁阻抗越大，電壓降越大，中頻電源的輸出電壓有一個合適值，過低或過高都會影響功率的輸出，依靠提高輸出電壓來提升輸出功率的作用會得不償失，只有減小電流輸送系統(tǒng)的磁通漏損和感抗，才能有效提高中頻電源的輸出功率。通過分析后，我們順著加熱系統(tǒng)線路進(jìn)行了查詢，發(fā)現(xiàn)如下問題：兩水電纜的距離過大，電纜架設(shè)采用了部分磁性材料、隔音操作間的影響、變壓器與線圈連接部分結(jié)構(gòu)不合理，如圖1所示；線圈與銅排連接板設(shè)計(jì)不合理。圖中1為變壓器串連過橋，2、3為變壓器與線圈連接輸入、輸出銅排。圖中串連過橋與變壓器之間的空隙以及輸入、輸出銅排之間的間隙、兩水電纜之間的空隙在工作中會產(chǎn)生很大的感抗和漏磁阻抗。鋼管和加熱線圈不配套是指鋼管和選用線圈的結(jié)構(gòu)尺寸要求不配套，如線圈冷卻量不足（或截面面積小）、線圈與鋼管間隙大、線圈寬度不合適、冷卻水角度不合適等，都會影響中頻輸出功率和加熱效率。

輸出電路的電阻直接影響著整個加熱系統(tǒng)的加熱效率，電阻越大，電流越高，電路中的發(fā)熱量越大，系統(tǒng)的加熱效率越低。電路電阻包括導(dǎo)體自身電阻和連接部位電阻；大家知道導(dǎo)體的電阻R=ρL/S，即導(dǎo)體電阻和導(dǎo)體的電阻率、截面積、長度有關(guān)；由于中頻加熱系統(tǒng)采用大電流、低電壓的方式加熱，特別是中頻變壓器至線圈部分，電流最大可達(dá)40000安培，為減小電路電阻在加熱系統(tǒng)中全部采用了電阻率小的紫銅，應(yīng)采用盡可能大的過電流面積；須采用冷卻水冷卻結(jié)構(gòu)；眾所周知，銅的電阻隨著溫度的升高而升高，因此在系統(tǒng)中必須有足夠的冷卻水量，以保證電路的溫度不致過高，電路電阻產(chǎn)生的熱量在合適的要求內(nèi)。

3 中頻加熱系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過以上分析發(fā)現(xiàn)：減小系統(tǒng)電路的感抗和漏磁阻抗，減小電路電阻是改進(jìn)的主要方向。

確定了問題的整改點(diǎn)和有效的改進(jìn)措施，通過對連接板及線圈結(jié)構(gòu)中頻交變磁場漏磁的合理分析、截面過電流面積、截面強(qiáng)度、冷卻散熱的計(jì)算，從最大限度的減少漏磁損失和避免熱量損失為前提，重新設(shè)計(jì)了變壓器串聯(lián)連接板、連接銅排（如圖3、圖4所示）及線圈整體結(jié)構(gòu)；重新對水電纜進(jìn)行了排放敷設(shè)。并指定了對保證設(shè)計(jì)效果有利加工方法。

采用先進(jìn)的線切割技術(shù)一次切割和無焊接熱壓制方法對銅板進(jìn)行加工，減少對銅排進(jìn)行組對焊接，保證了銅排截面的小電阻，保證尺寸的精確性和過流面熱量過多產(chǎn)生；

對水電纜重新進(jìn)行了排放敷設(shè)：全部采用非導(dǎo)磁性構(gòu)架，兩電纜最大限度緊密排設(shè)，重新鋪設(shè)了電纜；

對新線圈重新進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，對舊線圈連接部分進(jìn)行了改造；工作時選用合理的線圈；

安裝時保證各個金屬接觸面的光潔平整和合適的螺母預(yù)緊力；保證絕緣的情況下兩銅排壓緊、間隙盡量小；通過連接板、銅排、線圈的冷卻水量應(yīng)足夠、水溫應(yīng)控制在30℃以下；

安裝調(diào)整完畢后，進(jìn)行試驗(yàn)，逐步提高加熱功率至額定輸出功率的80%，在此過程中記錄中頻電源的輸出功率和輸出電壓、測量加熱系統(tǒng)各部分的溫度變化；圖2為改進(jìn)后變壓器和線圈的連接銅排。

在額定輸出功率80%的狀態(tài)下進(jìn)行Φ1219×32彎管的加熱，此時的輸出電壓達(dá)到安全電壓的90%；經(jīng)計(jì)算加熱效率達(dá)到33%；

在額定輸出功率的70%狀態(tài)下，對Φ1422×33.8進(jìn)行了長達(dá)7小時的煨制，觀察加熱系統(tǒng)各部件的溫度變化及系統(tǒng)的穩(wěn)定性改進(jìn)后的中頻加熱系統(tǒng)，在70%額定輸出功率下各電氣元件長時間運(yùn)行平穩(wěn)，各測溫點(diǎn)的檢測溫度在安全要求范圍內(nèi)；整個加熱系統(tǒng)的輸出功率提高了15～20%，加熱效率提高了5%，解決了大口徑、厚壁鋼管熱彎制時對高輸出功率的要求，提高了勞動生產(chǎn)率，減少了電能的損耗，節(jié)約了能源。

4 應(yīng)用效果

彎管機(jī)組中頻加熱系統(tǒng)的改進(jìn)是在1620機(jī)組上進(jìn)行的，本次改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用在其它彎管機(jī)組中頻加熱系統(tǒng)的改進(jìn)，也可以直接應(yīng)用在新的彎管機(jī)組中頻加熱系統(tǒng)或其它用途的感應(yīng)加熱系統(tǒng)，用以提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的輸出功率和效率。改進(jìn)后的系統(tǒng)順利的保證了西氣東輸三線西段用Φ1219×33-R6D、西氣東輸三線西段清管用Φ1219×32-R6D、中亞管線復(fù)線用Φ1219×33-R6D熱煨彎管生產(chǎn)以及西四線Φ1422×33.8-R6D熱煨彎管的試制以及以后對其它大口徑、厚壁彎管的彎制。

彎管的熱煨彎制是依靠電能加熱+水冷卻的過程，其使用的電能數(shù)量巨大，大口徑、厚壁彎管尤為明顯，其加熱功率均在720kW以上，5%加熱效率的提高，每小時便可節(jié)約35度以上電能，連續(xù)生產(chǎn)時每月可為公司節(jié)約超過兩萬多元的費(fèi)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉春艷.中頻感應(yīng)加熱負(fù)載分析.工業(yè)加熱，1999（5）.