核電穩壓器筒體內壁堆焊感應加熱裝置的設計

（青島海越機電科技有限公司，山東 青島 266217）

0 前言

核電穩壓器筒體為低合金鋼厚壁工件，在內壁堆焊過程中需要進行預熱和后熱處理，目前國內外普遍采用天然氣加熱或電阻式加熱[1]。這兩種方式均通過熱傳導和熱輻射的辦法加熱工件，其熱效率低、存在安全隱患以及設備壽命短，造成加熱工藝效率低且成本高[2]。因此，急需一種能夠大幅度提高加熱效率、降低生產成本、工藝可靠的新型加熱方法。

感應加熱工藝的效率高、能耗小、加熱溫度和區域可控，易于實現自動化。相比于傳統的加熱方式，其在實現局部加熱的同時還能保證主要加熱區域溫度的均勻性，工件加熱后外觀質量好，表面幾乎不被氧化[3]。感應加熱技術屬非接觸式加熱，符合環保和可持續發展方針，是綠色環保的加熱工藝之一[4]。

感應加熱工藝根據被加熱工件的不同形狀設計適合其加熱使用的感應器，通常感應器可以被制作成螺旋形、扁圓形、異形等[5]。核電穩壓器筒體內壁堆焊要求預熱溫度為120～250℃，并在整個焊接過程持續保持；焊后進行消氫處理，加熱溫度250～400℃，持續2～4h。此外，要求必須對筒體整體進行加熱，實現邊加熱邊旋轉堆焊的工藝。傳統的螺旋形感應器無法適應這種工藝。為解決核電穩壓器筒體內壁堆焊預熱和后熱工藝需求，本研究設計了一種能滿足大直徑旋轉筒體大面積加熱的新型感應加熱器。

2 感應裝置的設計

2.1 感應加熱裝置整體設計

核電穩壓器筒體內壁堆焊時筒體放置在滾輪架上以一定速度勻速轉動，焊接機頭在內壁6點鐘位置。因此，加熱位置宜放置在筒體外壁兩側，與地面相對靜止。這種加熱模式可解決筒體與感應器之間的相對運動問題，保證焊接和加熱同時進行互不干涉。

為了使筒體加熱裝置更具通用性，設計了一種具有一定加熱寬度的可變半徑C型感應器和三維空間移動小車相結合的裝置，將兩塊C型感應器安裝在可移動小車上，放置在筒體的兩側同時對筒體進行加熱。C型感應器后配置有弧度調整機構，可使感應加熱器的弧面與筒體的外表面相貼合，并能夠在一定范圍內調整張合弧度，以適應不同直徑的筒體的加熱。C型感應器安裝到可移動小車上，可調整兩個感應加熱器的高度及其與筒體的貼近度。感應加熱設備結構如圖1所示。

圖1 筒體內壁堆焊感應加熱設備結構示意

2.2 感應加熱線圈結構設計

感應線圈是感應加熱設備中最重要的部件之一，要求其結構能夠實現筒體內壁與外表面的溫差控制。在平板感應加熱器的基礎上，設計了一種矩形結構的阿基米德螺旋式C型感應器。考慮到纏繞方式和材料成本，線圈選用耐高溫合金電纜繞制，具有較好的耐溫性和可加工性。為了提高加熱效率，采取多根電纜線平行繞制方式，提高了感應磁場和感應渦流的大小，縮短了加熱時間，提高了加熱效率。

2.3 工件與感應線圈之間距離的選擇

被加熱工件與感應線圈之間的距離直接影響加熱效果。通常，兩者距離越小，能量利用率越高，加熱速度越快，加熱效果越好。但在筒體邊加熱邊焊接的模式下，工件和感應線圈之間存在相對運動，二者距離太近則容易造成筒體磨損感應器，為此在感應器上設計了可調限位裝置。

2.4 C型感應器尺寸設計

感應器的尺寸是C型感應器設計的一個重要參數。在不考慮焊接熱輸入的前提下，感應加熱時多片C型感應器的總熱輸入應等于工件升溫吸收的熱量去掉筒體的熱損失。感應器的尺寸設計原則是能夠保證感應電源的全功率輸出，并能使筒體的溫度均勻，長時間維持筒體的預熱和后熱溫度。

假定筒體外徑為D，長度為L，則筒體的外表面積S為

設單片C型感應器的弧長為l0，寬度為d，則其加熱面積S0為

定義

式中 k為加熱系數；n為C型感應加熱器的個數。k是感應器尺寸設計的先決條件，其物理意義為筒體外表面加熱面積占筒體外壁總表面積的百分比。

2.5 感應加熱設備的應用

該感應加熱裝置已經應用于核電穩壓器筒節的內壁堆焊加熱工藝中。筒節左右兩側各安排兩臺C型感應加熱器，橫跨整個筒節的長度，各自連接一臺120 kW中頻感應加熱電源。堆焊過程中保證筒節整體一直在預熱溫度范圍內；堆焊完成后立即對筒節升溫，進行后熱和消氫處理。在長時間的加熱過程中，設備整體運行穩定，自動化程度較高。

3 結論

針對核電穩壓器筒體的內壁堆焊預熱和后熱工藝，設計了一款可調半徑C型感應器和三維可移動小車相結合的加熱裝置。

（1）可調半徑C型感應器能夠實現大面積筒體的外壁感應加熱，加熱溫度均勻可控，且能夠適應一定范圍的不同直徑筒體的加熱。

（2）三維可移動工裝小車能夠適應不同位置和高度的筒體的內壁堆焊感應加熱需求，限位輪可保證感應器與工件不產生摩擦。