Pré-aquecimento por indução antes da soldadura para aquecedor de alívio de tensões
Porquê utilizar o pré-aquecimento por indução antes da soldadura?
O pré-aquecimento por indução pode abrandar a taxa de arrefecimento após a soldadura. É benéfico escapar ao hidrogénio difundido no metal de solda e evitar fissuras induzidas pelo hidrogénio. Ao mesmo tempo, também reduz o nível de endurecimento do selo de soldadura e da zona afetada pelo calor, melhorando a resistência à fissuração da junta soldada.
O pré-aquecimento por indução pode reduzir a tensão de soldadura. A diferença de temperatura (também conhecida como gradiente de temperatura) entre os soldadores na área de soldadura pode ser reduzida através de um pré-aquecimento por indução local ou total uniforme. Desta forma, por um lado, a tensão de soldadura é reduzida, por outro lado, a taxa de deformação de soldadura é reduzida, o que é benéfico para evitar fissuras de soldadura.
O pré-aquecimento por indução pode reduzir o grau de constrangimento das estruturas soldadas, sendo especialmente óbvio reduzir o constrangimento da junta angular. Com o aumento da temperatura de pré-aquecimento por indução, a incidência de fissuras diminui.
Temperatura de pré-aquecimento por indução e temperatura entre camadas (Nota: quando a soldadura multi-camadas e multi-passos é efectuada na soldadura, a temperatura mais baixa da soldadura frontal é chamada temperatura entre camadas quando a pós-soldadura é soldada. Para os materiais que requerem soldadura por pré-aquecimento por indução, quando é necessária a soldadura multicamada, a temperatura da camada intermédia deve ser igual ou ligeiramente superior à temperatura de pré-aquecimento por indução. Se a temperatura da camada intermédia for inferior à temperatura de pré-aquecimento por indução, deve ser novamente pré-aquecida por indução.
Além disso, a uniformidade da temperatura de pré-aquecimento por indução na direção da espessura da chapa de aço e na zona de soldadura tem um efeito importante na redução da tensão de soldadura. A largura do pré-aquecimento por indução local deve ser determinada de acordo com as restrições do soldador, geralmente três vezes a espessura da parede em torno da zona de soldadura, e não menos de 150-200 mm. Se o pré-aquecimento por indução não for uniforme, não só não reduzirá a tensão de soldadura como aumentará a tensão de soldadura.
Como encontrar a solução adequada de pré-aquecimento por indução?
Ao escolher o equipamento de pré-aquecimento por indução adequado, é necessário ter em conta os seguintes aspectos:
A forma e o tamanho da peça de trabalho aquecida: Se a peça de trabalho for pequena, tubo, placa, engrenagem, etc., deve ser selecionado o equipamento de pré-aquecimento por indução com baixa potência relativa e alta frequência.
A profundidade e a área a aquecer: Profundidade de aquecimento profundo, grande área, aquecimento global, deve escolher grande potência, equipamento de aquecimento por indução de baixa frequência; Profundidade de aquecimento superficial, pequena área, aquecimento local, seleção de potência relativamente pequena, equipamento de pré-aquecimento por indução de alta frequência.
A velocidade de aquecimento necessária: Se a velocidade de aquecimento for rápida, deve ser selecionado o equipamento de aquecimento por indução com uma potência relativamente grande e uma frequência relativamente elevada.
Tempo de trabalho contínuo do equipamento: O tempo de trabalho contínuo é longo, selecionar relativamente o equipamento de pré-aquecimento por indução de potência ligeiramente maior.
Distância entre a cabeça de aquecimento por indução e a máquina de indução: A ligação longa, mesmo a utilização de uma ligação por cabo arrefecida a água, deve ser uma máquina de pré-aquecimento por indução de potência relativamente grande.
Aquecimento por indução: Como funciona?
Sistemas de aquecimento por indução utilizam aquecimento sem contacto. Induzem calor electromagneticamente em vez de utilizarem um elemento de aquecimento em contacto com uma peça para conduzir o calor, como acontece com o aquecimento por resistência. O aquecimento por indução funciona mais como um forno micro-ondas - o aparelho permanece frio enquanto os alimentos cozinham a partir do interior.
Num exemplo industrial de aquecimento por induçãoO calor é induzido na peça, colocando-a num campo magnético de alta frequência. O campo magnético cria correntes de Foucault no interior da peça, excitando as moléculas da peça e gerando calor. Como o aquecimento ocorre ligeiramente abaixo da superfície do metal, não há desperdício de calor.
A semelhança entre o aquecimento por indução e o aquecimento por resistência reside no facto de ser necessária a condução do calor através da secção ou da peça. A única diferença é a fonte de calor e as temperaturas da ferramenta. O processo de indução aquece dentro da peça, e o processo de resistência aquece na superfície da peça. A profundidade do aquecimento depende da frequência. A alta frequência (por exemplo, 50 kHz) aquece perto da superfície, enquanto a baixa frequência (por exemplo, 60 Hz) penetra mais profundamente na peça, colocando a fonte de aquecimento até 3 mm de profundidade, o que permite o aquecimento de peças mais espessas. A bobina de indução não aquece porque o condutor é grande para a corrente que está a ser transportada. Por outras palavras, a bobina não precisa de aquecer para aquecer a peça de trabalho.
Componentes do sistema de aquecimento por indução
Os sistemas de aquecimento por indução podem ser arrefecidos a ar ou a líquido, dependendo dos requisitos da aplicação. Um componente chave comum a ambos os sistemas é a bobina de indução utilizada para gerar calor dentro da peça.
Sistema arrefecido a ar. Um sistema típico arrefecido a ar é constituído por uma fonte de energia, uma manta de indução e cabos associados. A manta de indução é constituída por uma bobina de indução rodeada de isolamento e cosida numa manga de Kevlar substituível a alta temperatura.
Este tipo de sistema de indução pode incluir um controlador para monitorizar e controlar automaticamente a temperatura. Um sistema não equipado com um controlador requer a utilização de um indicador de temperatura. O sistema também pode incluir um interrutor remoto para ligar e desligar. Os sistemas arrefecidos a ar podem ser utilizados para aplicações até 400 graus F, designando-o como um sistema apenas de pré-aquecimento.
Sistema arrefecido por líquido. Uma vez que o líquido arrefece de forma mais eficiente do que o ar, este tipo de sistema de aquecimento por indução é adequado para aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como o pré-aquecimento a alta temperatura e o alívio de tensões. As principais diferenças em relação a um sistema arrefecido a ar são a adição de um refrigerador de água e a utilização de uma mangueira flexível, arrefecida a líquido, que aloja a bobina de indução. Os sistemas arrefecidos por líquido também utilizam geralmente um controlador de temperatura e um registador de temperatura incorporado, componentes particularmente importantes em aplicações de alívio de tensões.
O procedimento típico de alívio de tensões requer um passo para 600 a 800 graus F, seguido de uma rampa ou aumento controlado da temperatura até uma temperatura de imersão de aproximadamente 1.250 graus. Após um tempo de espera, a peça é arrefecida por controlo para uma temperatura entre 600 e 800 graus. O registador de temperatura recolhe dados sobre o perfil de temperatura real da peça com base na entrada de um termopar, um requisito de garantia de qualidade para aplicações de alívio de tensões. O tipo de trabalho e o código aplicável determinam o procedimento efetivo.
Vantagens do aquecimento por indução
O aquecimento indutivo oferece inúmeras vantagens, incluindo boa uniformidade e qualidade do calor, tempo de ciclo reduzido e consumíveis de longa duração. O aquecimento indutivo é também seguro, fiável, fácil de utilizar, eficiente em termos energéticos e versátil.
Uniformidade e qualidade. O aquecimento por indução não é particularmente sensível à colocação ou espaçamento das bobinas. Geralmente, as bobinas devem ser espaçadas uniformemente e centradas na junta de soldadura. Em sistemas assim equipados, um controlador de temperatura pode estabelecer o requisito de potência de forma analógica, fornecendo apenas a potência suficiente para manter o perfil de temperatura. A fonte de energia fornece energia durante todo o processo.
Tempo de ciclo. O método de pré-aquecimento e alívio de tensões por indução proporciona um tempo relativamente rápido para atingir a temperatura. Em aplicações mais espessas, como as linhas de vapor de alta pressão, o aquecimento por indução pode reduzir o tempo de ciclo em duas horas. É possível reduzir o tempo de ciclo desde a temperatura de controlo até à temperatura de imersão.
Consumíveis. O isolamento utilizado no aquecimento indutivo é fácil de fixar às peças de trabalho e pode ser reutilizado muitas vezes. Além disso, as bobinas de indução são robustas e não requerem fios frágeis ou materiais cerâmicos. Além disso, como as bobinas de indução e os conectores não operam em altas temperaturas, eles não estão sujeitos à degradação.
Facilidade de utilização. Uma das principais vantagens do pré-aquecimento por indução e do alívio de tensões é a sua simplicidade. O isolamento e os cabos são simples de instalar, normalmente em menos de 15 minutos. Em alguns casos, a utilização do equipamento de indução pode ser ensinada num dia.
Eficiência energética. A fonte de energia do inversor tem uma eficiência de 92%, uma vantagem crítica numa era de custos energéticos em alta. Além disso, o processo de aquecimento por indução tem uma eficiência superior a 80 por cento. Relativamente à entrada de energia, o processo de indução requer apenas uma linha de 40 amperes para 25 kW de potência.
Segurança. O pré-aquecimento e o alívio de tensões através do método de indução são fáceis de utilizar. O aquecimento por indução não requer elementos de aquecimento e conectores quentes. As mantas de isolamento estão associadas a muito poucas partículas em suspensão no ar e o próprio isolamento não é exposto a temperaturas superiores a 1800 graus, o que pode provocar a decomposição do isolamento em poeiras que os trabalhadores podem inalar.
Fiabilidade. Um dos factores mais importantes que afectam a produtividade no alívio de tensões é um ciclo ininterrupto. Na maioria dos casos, a interrupção do ciclo significa que o tratamento térmico terá de ser repetido, o que é significativo quando um ciclo térmico pode levar um dia para ser concluído. Os componentes do sistema de aquecimento por indução tornam as interrupções de ciclo improváveis. A cablagem para a indução é simples, tornando-a menos suscetível de falhar. Além disso, não são utilizados contactores para controlar a entrada de calor na peça.
Versatilidade. Para além de utilizar sistemas de aquecimento por indução para pré-aquecer e aliviar tensões em tubos, os utilizadores adaptaram o processo para soldaduras, cotovelos, válvulas e outras peças. Um dos aspectos do aquecimento indutivo que o torna atrativo para formas complexas é a capacidade de ajustar as bobinas durante o processo de aquecimento para acomodar peças e dissipadores de calor únicos. O operador pode iniciar o processo, determinar os efeitos do processo de aquecimento em tempo real e modificar a posição da bobina para alterar o resultado. Os cabos de indução podem ser movidos sem esperar pelo arrefecimento do ar no final do ciclo.
Aquecimento por indução antes das aplicações de soldadura
Esta tecnologia deu provas em vários projectos, incluindo oleodutos e gasodutos, construção de equipamento pesado e manutenção e reparação de equipamento mineiro.
Oleoduto. Uma operação de manutenção de um oleoduto norte-americano precisava de aquecer o tubo antes de soldar mangas de reparação de cerco ou acessórios à circunferência do oleoduto de 48 polegadas. Embora os trabalhadores pudessem efetuar muitas reparações sem terem de interromper o fluxo de petróleo ou drená-lo do tubo, a presença do próprio crude dificultava a eficiência da soldadura porque o petróleo em fluxo absorvia o calor. Os maçaricos de propano exigiam uma interrupção constante da soldadura para manter o calor, e o aquecimento por resistência - apesar de fornecer calor contínuo - muitas vezes não conseguia atingir as temperaturas de soldadura necessárias.
Os trabalhadores utilizaram dois sistemas de 25 kW com cobertores paralelos para obter uma temperatura de pré-aquecimento de 125 graus nas reparações de mangas de cerco. Como resultado, reduziram o tempo de ciclo de oito a 12 horas para quatro horas por soldadura circunferencial.
O pré-aquecimento para um reparo de uma conexão STOPPLE (uma junção em T com válvula) foi ainda mais desafiador devido à maior espessura da parede da conexão. Com o aquecimento indutivo, no entanto, a empresa usou quatro sistemas de 25 kW com uma configuração de manta em paralelo. Eles usaram dois sistemas em cada lado do T. Um sistema foi usado na linha principal para pré-aquecer o óleo, e o segundo foi usado para pré-aquecer o T na junta de solda circunferencial. A temperatura de pré-aquecimento era de 125 graus. Isto reduziu o tempo de soldadura de 12 a 18 horas para sete horas por soldadura circunferencial.
Gasoduto de gás natural. Um projeto de construção de gasoduto de gás natural envolveu a construção de um gasoduto de 36 pol. de diâmetro e 0,633 pol. de espessura de Alberta, Canadá, até Chicago. Em um trecho desse gasoduto, o empreiteiro de soldagem usou duas fontes de energia de 25 kW montadas em um trator com as mantas de indução presas a lanças para maior rapidez e conveniência. As fontes de energia pré-aqueceram ambos os lados da junta do tubo. A velocidade e o controlo fiável da temperatura foram fundamentais para este processo. À medida que o teor de liga aumenta nos materiais para reduzir o peso e o tempo de soldadura, e para aumentar a vida útil das peças, o controlo das temperaturas de pré-aquecimento torna-se mais crítico. Nesta aplicação de aquecimento indutivo, foram necessários menos de três minutos para obter a temperatura de pré-aquecimento de 250 graus.
Equipamento pesado. Um fabricante de equipamento pesado soldava frequentemente dentes adaptadores nos bordos dos baldes das suas carregadoras. O conjunto soldado por aderência tinha sido movido para trás e para a frente de um grande forno, exigindo que o operador de soldadura esperasse enquanto a peça era reaquecida repetidamente. O fabricante optou por experimentar o aquecimento indutivo para pré-aquecer o conjunto e evitar o movimento do produto.
O material tinha 4 polegadas de espessura com uma alta temperatura de pré-aquecimento necessária devido ao conteúdo de liga. Foram desenvolvidas mantas de indução personalizadas para atender aos requisitos da aplicação. O design do isolamento e da bobina proporcionou o benefício adicional de proteger o operador do calor radiante da peça. No geral, as operações foram consideravelmente mais eficientes, reduzindo o tempo de soldadura e mantendo a temperatura durante todo o processo de soldadura.
Equipamento mineiro. Uma mina tinha tido problemas de fissuração a frio e ineficiência de pré-aquecimento utilizando aquecedores a propano nas suas operações de reparação de equipamento mineiro. Os operadores de soldadura tinham de retirar frequentemente uma manta isoladora convencional da peça espessa para aplicar calor e manter a peça à temperatura correta.
A manta de pré-aquecimento por indução mantém a temperatura da borda do balde durante a fixação dos dentes.
A mina optou por experimentar o aquecimento por indução, utilizando mantas planas arrefecidas a ar para pré-aquecer as peças antes da soldadura. O processo de indução aplicava rapidamente o calor à peça. Também pode ser utilizado continuamente durante o processo de soldadura. O tempo de reparação da soldadura foi reduzido em 50 por cento. Além disso, a fonte de energia estava equipada com um controlador de temperatura para manter a peça à temperatura pretendida. Isto quase eliminou o retrabalho causado pela fissuração a frio.
Central eléctrica. Um construtor de centrais eléctricas estava a construir uma central eléctrica a gás natural na Califórnia. Os caldeireiros e os instaladores de tubagens estavam a sofrer atrasos na construção devido aos métodos de pré-aquecimento e de alívio de tensões que estavam a empregar nas linhas de vapor da central. A empresa trouxe a tecnologia de aquecimento indutivo numa tentativa de aumentar a eficiência, particularmente para o trabalho em linhas de vapor de médio a grande porte, uma vez que essas peças levam o maior tempo de tratamento térmico necessário em um canteiro de obras.
A simplicidade de enrolar as mantas de indução em torno de formas complexas, como nesta central eléctrica a gás natural, pode reduzir o tempo de tratamento térmico.
Em um weldolet típico de 16 polegadas com uma espessura de parede de 2 polegadas, o aquecimento indutivo foi capaz de reduzir duas horas do tempo até a temperatura (600 graus) e outra hora para atingir a temperatura de imersão (600 graus a 1.350 graus) para alívio de tensão.
