大口徑彎管機中頻加熱系統改進

馬燕 張文生 蘇強

摘要：針對彎制大口徑、厚壁鋼管時中頻加熱系統存在的不足，分析了造成中頻加熱系統輸出功率和加熱效率低的原因，重新對加熱系統的過電流部件及用電部分進行了合理、更優的結構設計和精確加工，使輸出功率得到大大提高，輸出效率得到很大改善。

關鍵詞：中頻加熱系統；輸出功率；效率

高壓、大口徑管道的飛速發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、厚壁的結構特點，大口徑、厚壁彎管的熱煨制要求中頻彎管機組具備大推力、高輸出功率和高效率的特點。中頻加熱輸出功率作為彎管機組的加工能力重要指標，其輸出功率必須達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，這樣不僅會導致生產效率極低，主要是直接影響了彎管的力學性能和內在質量。

1 彎制大口徑、厚壁鋼管時出現的問題

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組的中頻電源有效輸出功率達到一定的要求，在大口徑彎管機進行整體加熱、隔音操作間組裝改造后，中頻加熱系統出現了以下問題：

（1）有效輸出功率下降至不足額定輸出功率的60%；

（2）經測算中頻加熱系統的效率不足28%；

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

2 造成中頻加熱系統輸出功率低和加熱效率低的原因分析

中頻加熱系統電流傳送路線如下：

中頻加熱系統包括中頻電源、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的工業電通過慮波、整流、逆變轉換為兩相的中頻頻率輸出電源。通過查詢相關磁場、電氣、電阻等基本原理知識資料及現場檢測分析，發現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，使電路產生電壓降，電流和頻率越大，產生的磁通損失越多，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，我們順著加熱系統線路進行了查詢，發現如下問題：兩水電纜的距離過大，電纜架設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構不合理，如圖1所示；線圈與銅排連接板設計不合理。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構尺寸要求不配套，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的加熱效率，電阻越大，電流越高，電路中的發熱量越大，系統的加熱效率越低。電路電阻包括導體自身電阻和連接部位電阻；大家知道導體的電阻R=ρL/S，即導體電阻和導體的電阻率、截面積、長度有關；由于中頻加熱系統采用大電流、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40000安培，為減小電路電阻在加熱系統中全部采用了電阻率小的紫銅，應采用盡可能大的過電流面積；須采用冷卻水冷卻結構；眾所周知，銅的電阻隨著溫度的升高而升高，因此在系統中必須有足夠的冷卻水量，以保證電路的溫度不致過高，電路電阻產生的熱量在合適的要求內。

3 中頻加熱系統的改進設計

通過以上分析發現：減小系統電路的感抗和漏磁阻抗，減小電路電阻是改進的主要方向。

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

采用先進的線切割技術一次切割和無焊接熱壓制方法對銅板進行加工，減少對銅排進行組對焊接，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生；

對水電纜重新進行了排放敷設：全部采用非導磁性構架，兩電纜最大限度緊密排設，重新鋪設了電纜；

對新線圈重新進行設計制造，對舊線圈連接部分進行了改造；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、線圈的冷卻水量應足夠、水溫應控制在30℃以下；

安裝調整完畢后，進行試驗，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、測量加熱系統各部分的溫度變化；圖2為改進后變壓器和線圈的連接銅排。

在額定輸出功率80%的狀態下進行Φ1219×32彎管的加熱，此時的輸出電壓達到安全電壓的90%；經計算加熱效率達到33%；

在額定輸出功率的70%狀態下，對Φ1422×33.8進行了長達7小時的煨制，觀察加熱系統各部件的溫度變化及系統的穩定性改進后的中頻加熱系統，在70%額定輸出功率下各電氣元件長時間運行平穩，各測溫點的檢測溫度在安全要求范圍內；整個加熱系統的輸出功率提高了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，提高了勞動生產率，減少了電能的損耗，節約了能源。

4 應用效果

彎管機組中頻加熱系統的改進是在1620機組上進行的，本次改進的經驗可以應用在其它彎管機組中頻加熱系統的改進，也可以直接應用在新的彎管機組中頻加熱系統或其它用途的感應加熱系統，用以提高感應加熱系統的輸出功率和效率。改進后的系統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、中亞管線復線用Φ1219×33-R6D熱煨彎管生產以及西四線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，每小時便可節約35度以上電能，連續生產時每月可為公司節約超過兩萬多元的費用。

參考文獻：

[1]劉春艷.中頻感應加熱負載分析.工業加熱，1999（5）.