電磁感應加熱技術在加氫反應器熱處理中的應用

◎謝新苗 劉雁 楊易坤

一、前言

隨著國內石化行業的不斷發展，加氫反應容器的規格越來越大。受反應器尺寸、重量及運輸條件限制，許多反應器只能在用戶現場制造。部分反應器尺寸超長無法整體入爐熱處理，加氫反應器的最終焊縫只能采用局部熱處理的方法消除應力，這也是保證設備制造成功的關鍵。

加氫反應器焊縫局部熱處理通常采用局部熱處理爐或履帶加熱片進行，前者尺寸范圍受限，無法適應各種規格直徑的筒節焊縫；后者熱效率低，加熱布置數量繁多，工作量繁重，同時安裝鋪設難度大。

將電磁感應加熱應用于加氫反應器焊縫的局部熱處理是解決以上問題的新方法。電磁感應加熱熱處理技術相比局部熱處理爐，在設備投入、設備利用率、單次熱處理能耗、環保等方面具有明顯的優勢，相比履帶加熱片熱效率更高，便于自動化控制。因此，電磁感應加熱技術在加氫反應器焊縫熱處理中非常具有應用前景。

二、電磁感應加熱原理

1.加熱原理。電磁感應加熱是利用電磁感應在導體內產生渦流，導體內的渦流產生發熱來達到加熱工件的目的。以加熱環形筒節為例，加熱原理見圖1 所示，交變電流通過感應線圈時產生交變的磁場，交變磁力線穿過筒節形成回路，在其橫截面內產生感應渦流，使筒節迅速發熱，進而達到熱處理條件的目的。

圖1 電磁感應加熱工件原理示意圖

2.工藝原理。電磁感應加熱是通過調節流過加熱線圈的電流大小來調節加熱功率，從而控制加熱速度的，調節方式靈活且均勻性好。電磁感應加熱設備、加熱電纜并結合保溫材料等，應用到焊縫局部熱處理，工藝上具有一定的創新性。

焊縫局部感應熱處理時均溫帶SB、加熱帶HB、隔熱帶GCB 如圖2 所示，圖中SB、HB、GCB 中心位置為焊縫中心。均溫帶邊緣離焊縫邊界至少為焊后熱處理厚度δ或50mm，取兩者較小值。均溫帶所示體積范圍內任意一點溫度都應符合焊后熱處理的規定。加熱帶環繞包括均溫帶在內的筒體全圓周。

隔熱材料采用硅酸鋁纖維保溫毯，外壁隔熱材料采用成卷耐火保溫布。

說明：hk 為焊縫最大寬度；SB 為均溫帶寬度；HB 為加熱帶寬度；GCB 為隔熱帶寬度

圖2 電磁感應加熱局部熱處理示意圖

三、電磁感應加熱熱處理的應用

相對于傳統的局部熱處理爐和履帶加熱片設備，電磁感應熱處理設備近幾年蓬勃發展，但適合用于大型筒節環焊縫熱處理的設備非常稀少，該類設備新穎，控制先進。中國一重在容器制造上有著豐富的技術積累、技術創新及經驗，其中電磁感應加熱技術也逐步開發研究并有一部分應用到了產品的制造上。具體如下：

1. 筒節堆焊加熱。筒節堆焊時工件在焊接過程中進行旋轉運動，預熱溫度一般在100℃-200℃之間，持續保溫溫度一般在250℃以下。此溫度區間采用非接觸式預熱和保溫裝置完全可以滿足需要，并且不必采用全覆蓋的結構。圖3 為筒節堆焊專用加熱裝置，該裝置可同時用于筒節堆焊前的預熱和焊接過程中的持續保溫。由于可以采用非接觸式加熱，該種裝置的工件尺寸適應性強，目前已經應用于筒節內壁堆焊。

2.彎管環縫熱處理。加氫反應器彎管環縫焊后中間消應力熱處理可采用感應加熱裝置完成，加熱裝置為柔性電纜，結合保溫石棉氈完成熱處理過程，應用實例如圖4 所示。

3.筒節環縫熱處理。筒節環縫電磁感應熱處理裝置可用于筒節環縫中間消應力熱處理和局部最終焊后熱處理。常見的容器最終焊后熱處理溫度區間在600℃-705℃之間，需要采用全覆蓋結構根據經驗，對于不同壁厚的容器，可根據加熱寬度、保溫厚度，增大輸入功率來實線。加熱裝置為柔性電纜，與特制的保溫材料配合完成熱處理過程，應用實例如圖5 所示。

圖3 筒節堆焊專用電磁感應加熱裝置

圖4 彎管環縫電磁感應熱處理

圖5 環焊縫電磁感應熱處理

4.接管焊縫局部熱處理。接管局部熱處理是針對加氫容器接管與筒節組焊后焊縫內存在較大的應力，必須采用中間消應力熱處理的方式來減小應力，中間消應力熱處理溫度區間在580-680℃之間。根據經驗，由于溫度較高，為避免大量的熱輻射損失，縮短熱處理時間，需要采用全覆蓋結構，必要時可采用雙面加熱或增大單面加熱范圍，熱處理曲線可滿足技術條件的要求，熱處理效果也達到了預定的要求，應用實例如圖6 所示。

圖6 接管焊縫電磁感應熱處理

四、結語和展望

在加氫反應器制造過程中，能夠應用電磁感應加熱方法的熱處理包括焊前預熱、焊接中持續保溫、焊后消氫熱處理、焊后消除應力熱處理、筒體環縫局部最終熱處理，即對于壓力容器制造過程中的熱處理，除了容器整體最終熱處理之外，均可采用電磁感應加熱完成。

感應加熱技術利用電能作為能源供給，代替了傳統油、氣等不可再生能源，而且該技術的能源利用率高，降低了生產成本，產生良好的社會效益。