高頻感應加熱螺栓試驗器具優化研究

周靄琳，葉 凱，朱凱亮，朱元生，劉 斌

（中核核電運行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

大型汽輪機汽缸由上下兩部分組成，中分面法蘭螺栓需要較大的緊固力才能保證嚴密性、安全性和較高的熱效率，通常采用加熱法對螺栓進行緊固，加熱螺栓至規定伸長量后再進行松緊拆裝。常用的加熱法有電阻加熱和高頻加熱，某電廠以前采用電阻加熱器對螺栓進行加熱，現改進使用新型的高頻感應加熱方式，感應加熱利用電磁感應的方法使被加熱材料的內部產生電流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的[1-2]。但由于加熱方法和人員操作不規范，導致螺栓無法緊固到位，經常返工、效率較低[3]。通過試驗對感應加熱器進行優化分析，以期尋找加熱螺栓的最優加熱器參數，并對非中心處加熱的工況進行分析研究，確認加熱器的安裝范圍及對熱緊螺栓的溫度、軸向應力、伸長量的影響。將優化后的螺栓加熱方法運用于現場檢修工作中，以規范檢修操作，提升檢修質量。

1 試驗裝置

采用電磁加熱方式對螺栓進行加熱，通過溫度傳感器、位移測量裝置采集螺栓關鍵部位的溫度和伸長量。將感應加熱線棒插入螺栓的中心孔，通過接線器與高頻電源相連；螺母頂部裝有伸長量測量裝置（由千分表、測量套筒和測量桿組成），用于測量螺母的加熱伸長量，試驗裝置測試段如圖1所示。

圖1 試驗裝置測試段

2 感應加熱器優化分析

由高頻感應加熱原理可知，加熱器的功率、加熱器和長度會對螺栓加熱過程中控制參數的分布變化產生影響；試驗中，加熱器安裝位置不同也會有顯著差異。因此，選取加熱器的功率、有效加熱長度、安裝位置作為待優化參數，并將加熱棒有效加熱部分三等分布置關鍵測點，如圖2 所示，分別討論不同參數對螺栓的加熱過程中溫度分布、軸向應力變化、內外壁溫差、伸長量曲線的變化影響，針對典型規格的螺栓開發出加熱效果最優的加熱器尺寸參數，并確定最佳的安裝方案，實現對熱緊螺栓的最優加熱。

圖2 加熱器優化參數試驗示意

2.1 感應加熱器功率優化

選取高壓缸中分面5 英寸短粗型螺栓，對兩種功率進行試驗：第一組感應加熱的加熱棒輸入功率為20 kW，環境溫度19 ℃；第二組感應加熱的加熱棒輸入功率為25 kW，環境溫度17 ℃。加熱棒的輸入電流頻率均保持恒定f=9430 Hz，輸入電壓恒定U=380 V（表1）。

表1 加熱器及螺栓參數

試驗采集數據如圖3 所示，隨著感應加熱時間的增加，螺栓內壁中心溫度逐漸上升，伸長量增大。由于螺栓整體溫度在較長一段時間平穩增長，因此螺栓熱膨脹的過程相對平穩，伸長量的變化曲線近乎直線。達到額定伸長量1.35 mm 時，第二組試驗耗時9 mim，比第一組試驗縮短時間約25%。因此，在條件允許范圍內，適當提高感應加熱功率，螺栓伸長速率更快，達到目標伸長量所需時間越短。

圖3 螺栓伸長量和溫度隨時間變化曲線

2.3 感應加熱器長度優化

感應加熱器的熱生成率直接決定了熱緊螺栓的溫度上升速度與加熱效率，在相同電流密度下，感應加熱的熱生成率又與感應加熱器的長度呈正比關系。因此，探究不同感應加熱器的長度對加熱過程的影響，分析熱緊螺栓的溫度場、應力場的變化關系，可實現感應加熱器尺寸參數的選優。

選用M64 戴帽栽絲螺栓（H01.019.001）為試驗對象（圖4），規格見表2，在相同電流密度下，改變感應加熱器的長度分別為L0=0.16 m、0.22 m、0.25 m、0.34 m 和0.37 m，感應加熱器中心安裝在螺栓的中心處，加熱過程中螺栓內部的最高溫度不超過500 ℃，規定伸長量為0.71 mm，安全許用應力350 MPa，關鍵測點的編號與圖1 相同，不同加熱器有效長度如圖5 所示。

表2 M64 戴帽栽絲螺栓規格信息

圖4 M64 戴帽栽絲螺栓

圖5 不同加熱器有效長度

試驗采集數據如圖6 所示，不同感應加熱器長度L0下螺栓的伸長量隨時間的變化曲線趨勢基本相同，基本呈線性增長，并在一段加熱時間后伸長量增長率增大。感應加熱器的長度越長，螺栓伸長量的增長率越大，增長率變化的時間越早，螺栓達到目標伸長量（M64 規格的L0=0.71 mm）的時間越短。

圖6 不同加熱器長度L0 螺栓伸長量和最高溫度隨時間變化曲線

螺栓中心最高溫度在不同電流密度下隨時間的變化趨勢基本線性增長，且感應加熱器長度L0越長，熱緊螺栓的最高溫度越大。當L0=340 mm 和370 mm 時，熱緊螺栓分別在580 s 和540 s 達到目標伸長量0.71 mm，此時螺栓中心最高溫度均不超過500 ℃，感應加熱過程滿足工程安全要求。

螺栓的最大熱應力在不同感應加熱器長度下隨時間的變化趨勢基本相同（圖7）。在相同時間內，螺栓的最大熱應力隨著感應加熱器長度的增大而減小。感應加熱器的長度L0越長，熱緊螺栓的高溫區域在軸向分布范圍更長，即熱緊螺栓在軸向受熱范圍更大，受熱更均勻；當L0較短時，熱緊螺栓在感應加熱過程中受熱不夠均勻，會產生較大的熱應力。由圖7 可知，即使最短L0=0.16 m，熱緊螺栓的最大熱應力也小于350 MPa，小于螺栓材料的屈服極限。

圖7 不同加熱器長度下螺栓熱應力隨時間變化曲線

2.4 感應加熱器安裝位置優化

感應加熱棒是插入到汽缸中分面法蘭螺栓中心孔里，實際安裝可能會偏上或偏下（圖8），導致螺栓內部溫度分布與理想變化規律不一致，長期如此可能會影響螺栓的應力分布情況及安全水平。以M64 栽絲螺栓為研究對象，選取加熱器的有效加熱長度L0=340 mm，在相同電流密度下，分別選擇安裝高度（t）為0.02 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m 和0.18 m，對熱緊螺栓進行感應加熱分析，通過比較得到感應加熱器安裝位置的最優選擇。

圖8 加熱器實際安裝位置

試驗采集數據如圖9所示，在感應加熱過程中，螺栓的伸長量基本呈線性增長，并在一段加熱時間后伸長量增長率增大。安裝高度t 越低，伸長量的增長率越大，但是影響較小，從圖中可看出達到目標伸長量0.71 mm 的時間相差不大。

圖9 不同加熱器安裝高度下螺栓伸長量和中心溫度隨時間變化曲線

螺栓的最高溫度在不同安裝高度下隨時間的變化曲線基本重合。起初，螺栓的最高溫度增長率較高，隨著時間的推移，螺栓的最高溫度的增長率逐漸平穩，最高溫度逐漸呈線性增長。在相同加熱時間內，安裝高度t 對熱緊螺栓的最高溫度沒有影響。達到目標伸長量0.71 mm基本用時580 s，此時不同安裝高度下熱緊螺栓的最高溫度均不超過500 ℃，感應加熱過程滿足工程安全要求。

不同感應加熱器安裝高度下螺栓最大熱應力隨時間的變化趨勢基本相同，如圖10 所示，初期內外徑溫差迅速增大，熱應力也隨之迅速增大；隨著時間推移，螺栓的最高溫差趨于平穩，熱應力也逐漸趨于平穩。感應加熱器的安裝高度t 越接近螺栓中部時，螺栓的高溫區域在軸向分布范圍更長，即螺栓在軸向受熱范圍更大，受熱也更均勻。因此，在感應加熱器的安裝高度較低或者較高時，熱緊螺栓在感應加熱過程中受熱不夠均勻，會產生較大的熱應力。即便如此，整個加熱過程中，螺栓的最大熱應力均小于螺栓材料的屈服極限300 MPa。

圖10 不同加熱器安裝高度下螺栓熱應力隨時間變化曲線

3 總結與應用

通過對5″-8UN 雙頭加熱螺栓的功率和材料進行試驗，以及對螺栓長度更長、試驗效果更明顯的M64 加熱螺栓進行不同加熱棒長度、安裝高度的試驗，得出結論如下：

（1）在條件允許范圍內，適當提高感應加熱功率，或者選用導磁率更高的加熱棒材料，能提高加熱效率，螺栓伸長速率更快，達到目標伸長量所需時間越短。

（2）感應加熱器的長度越長，熱緊螺栓達到目標伸長量的時間越短，熱緊螺栓的最高溫度越大，螺栓的最大熱應力越小。

（3）感應加熱器的安裝高度t 對伸長量的增長影響較小，達到目標伸長量的時間相差不大，對螺栓的最高溫度沒有影響；安裝高度越接近螺栓中部時，螺栓所受熱應力越小。

參照本試驗方案對感應加熱裝置進行優化，在該電廠210大修中對汽輪機低壓缸中分面5″-8UN 雙頭加熱螺栓進行驗證，加熱時間比110 大修縮短30%，且沒有一顆使用大錘強力拆除。同時，將加熱棒安裝要求明確在技術規格書中，規范了維修現場操作，提升檢修質量。