Индукционный предварительный нагрев перед сваркой для снятия напряжений

Индукционный подогрев перед сваркой для снятия напряжения

Зачем использовать индукционный предварительный нагрев перед сваркой?Индукционный предварительный подогрев может замедлить скорость охлаждения после сварки. Это благоприятно для выхода диффузионного водорода в металле шва и предотвращения трещин, вызванных водородом. В то же время, это также снижает уровень затвердевания сварочного шва и зоны термического влияния, улучшается устойчивость сварного соединения к трещинам.
Индукционный предварительный подогрев может снизить сварочное напряжение. Разница температур (также известная как температурный градиент) между сварщиками в зоне сварки может быть уменьшена за счет равномерного локального или полного индукционного предварительного подогрева. Таким образом, с одной стороны, снижается сварочное напряжение, с другой - уменьшается скорость сварочной деформации, что благоприятно для предотвращения образования сварочных трещин.

Индукционный предварительный нагрев может уменьшить степень стеснения сварных конструкций, особенно очевидно это для уменьшения стеснения углового соединения. С увеличением температуры предварительного индукционного нагрева уменьшается частота появления трещин.
Температура предварительного индукционного нагрева и температура межслойного шва (Примечание: при многослойной и многопроходной сварке сварного изделия самая низкая температура переднего шва называется температурой межслойного шва при сварке после шва. Для материалов, требующих индукционной сварки с предварительным подогревом, при многослойной сварке температура межслойного шва должна быть равна или немного выше температуры индукционного подогрева. Если температура прослойки ниже температуры индукционного предварительного нагрева, ее следует снова подвергнуть индукционному предварительному нагреву.
Кроме того, равномерность температуры индукционного предварительного нагрева в направлении толщины стального листа и в зоне сварки оказывает важное влияние на снижение сварочных напряжений. Ширина локального индукционного предварительного нагрева должна определяться в соответствии с ограничениями сварщика, как правило, в три раза больше толщины стенки вокруг зоны сварки и не менее 150-200 мм. Если индукционный подогрев неравномерен, это не только не снизит сварочное напряжение, но и увеличит его.

Как найти подходящее решение для индукционного нагрева?

При выборе подходящего оборудования для индукционного подогрева учитывайте, прежде всего, следующие аспекты:

Форма и размер нагреваемой заготовки: Для больших заготовок, прутковых материалов, твердых материалов, следует выбирать оборудование относительной мощности, низкочастотного индукционного нагрева; Если заготовка небольшая, труба, пластина, шестерня и т.д., следует выбирать оборудование индукционного предварительного нагрева с низкой относительной мощностью и высокой частотой.
Глубина и площадь нагрева: Глубина нагрева, большая площадь, общий нагрев, следует выбирать большую мощность, низкочастотное индукционное нагревательное оборудование; Малая глубина нагрева, небольшая площадь, локальный нагрев, выбор относительно небольшой мощности, высокочастотное индукционное оборудование для предварительного нагрева.
Требуемая скорость нагрева: если скорость нагрева высокая, следует выбирать индукционное нагревательное оборудование с относительно большой мощностью и относительно высокой частотой.
Время непрерывной работы оборудования: Непрерывное время работы является длительным, относительно выбрать немного больше мощности индукционного оборудования предварительного нагрева.
Расстояние между индукционной нагревательной головкой и индукционной машиной: Длинное соединение, даже использование кабельного соединения с водяным охлаждением, должно быть относительно большой мощности индукционной машины предварительного нагрева.

Индукционный нагрев: Как это работает?

Индукционные системы отопления используют бесконтактный нагрев. В них тепло выделяется электромагнитным способом, а не с помощью нагревательного элемента, соприкасающегося с деталью для проведения тепла, как в случае с резистивным нагревом. Индукционный нагрев больше похож на микроволновую печь - прибор остается холодным, а пища готовится внутри.

В промышленном примере индукционный нагревТепло индуцируется в детали путем помещения ее в высокочастотное магнитное поле. Магнитное поле создает вихревые токи внутри детали, возбуждая молекулы детали и выделяя тепло. Поскольку нагрев происходит немного ниже поверхности металла, тепло не расходуется.

Сходство индукционного нагрева с резистивным заключается в том, что для нагрева через участок или деталь требуется теплопроводность. Единственное различие заключается в источнике тепла и температуре инструмента. При индукционном нагреве происходит нагрев внутри детали, а при резистивном - на ее поверхности. Глубина нагрева зависит от частоты. Высокочастотные (например, 50 кГц) нагревают близко к поверхности, а низкочастотные (например, 60 Гц) проникают глубже в деталь, располагая источник нагрева на глубине до 3 мм, что позволяет нагревать более толстые детали. Индукционная катушка не нагревается, потому что проводник имеет большой диаметр для протекающего тока. Другими словами, катушке не нужно нагреваться, чтобы нагреть деталь.

Компоненты системы индукционного нагрева

Системы индукционного нагрева могут быть с воздушным или жидкостным охлаждением, в зависимости от требований приложения. Ключевым компонентом, общим для обеих систем, является индукционная катушка, используемая для генерации тепла внутри детали.

Система с воздушным охлаждением. Типичная система воздушного охлаждения состоит из источника питания, индукционного одеяла и соответствующих кабелей. Индукционное одеяло состоит из индукционной катушки, окруженной изоляцией и вшитой в высокотемпературный сменный кевларовый рукав.

Индукционная система такого типа может включать контроллер для контроля и автоматического регулирования температуры. Система, не оснащенная контроллером, требует использования индикатора температуры. Система также может включать дистанционный выключатель. Системы с воздушным охлаждением могут использоваться для работы при температуре до 400 градусов F, при этом они обозначаются как системы только с предварительным нагревом.

Система с жидкостным охлаждением. Поскольку жидкость охлаждается более эффективно, чем воздух, этот тип системы индукционного нагрева подходит для применений, требующих более высоких температур, таких как высокотемпературный предварительный нагрев и снятие напряжения. Основные отличия от системы с воздушным охлаждением заключаются в добавлении водяного радиатора и использовании гибкого шланга с жидкостным охлаждением, в котором находится индукционная катушка. В системах с жидкостным охлаждением также обычно используются терморегулятор и встроенный регистратор температуры, что особенно важно для систем снятия напряжения.

Типичная процедура снятия напряжений требует нагрева до температуры от 600 до 800 градусов F, затем темп или контролируемое повышение температуры до температуры выдержки примерно 1 250 градусов. После выдержки деталь охлаждается до температуры от 600 до 800 градусов. Регистратор температуры собирает данные о фактическом температурном профиле детали на основе входного сигнала термопары, что является требованием к обеспечению качества при снятии напряжения. Тип работы и применимый код определяют фактическую процедуру.

Преимущества индукционного нагрева

Индукционный нагрев обладает многочисленными преимуществами, включая хорошую равномерность и качество нагрева, сокращение времени цикла и долговечность расходных материалов. Индукционный нагрев также безопасен, надежен, прост в использовании, энергоэффективен и универсален.

Равномерность и качество. Индукционный нагрев не особенно чувствителен к расположению катушек или расстоянию между ними. Как правило, катушки должны располагаться равномерно и по центру сварного шва. В системах, оснащенных таким образом, температурный контроллер может установить требуемую мощность аналоговым способом, обеспечивая достаточную мощность для поддержания температурного профиля. Источник питания обеспечивает питание в течение всего процесса.

Время цикла. Индукционный метод предварительного нагрева и снятия напряжения обеспечивает относительно быстрое время выхода на температуру. В более толстых областях применения, таких как паропроводы высокого давления, индукционный нагрев может сократить время цикла на два часа. Можно сократить время цикла от контрольной температуры до температуры выдержки.

Расходные материалы. Изоляция, используемая при индукционном нагреве, легко крепится к заготовкам и может быть использована многократно. Кроме того, индукционные катушки прочны и не требуют использования хрупких проводов или керамических материалов. Кроме того, поскольку индукционные катушки и разъемы не работают при высоких температурах, они не подвержены деградации.

Простота использования. Основным преимуществом индукционного предварительного нагрева и снятия напряжения является его простота. Монтаж изоляции и кабелей прост и обычно занимает менее 15 минут. В некоторых случаях обучиться работе с индукционным оборудованием можно за один день.

Энергоэффективность. Инверторный источник питания имеет КПД 92%, что является важнейшим преимуществом в эпоху стремительного роста цен на электроэнергию. Кроме того, индукционный процесс нагрева эффективен более чем на 80 %. Что касается потребляемой мощности, то для индукционного процесса требуется всего 40-амперная линия для 25 кВт мощности.

Безопасность. Предварительный нагрев и снятие напряжения с помощью индукционного метода удобны для работников. Индукционный нагрев не требует горячих нагревательных элементов и разъемов. Изоляционные одеяла содержат очень мало частиц в воздухе, а сама изоляция не подвергается воздействию температуры выше 1800 градусов, что может привести к разрушению изоляции в пыль, которую могут вдыхать рабочие.

Надежность. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на производительность при снятии напряжения, является непрерывность цикла. В большинстве случаев прерывание цикла означает необходимость повторного проведения термообработки, что очень важно, когда термический цикл может занимать целый день. Компоненты системы индукционного нагрева делают прерывание цикла маловероятным. Кабели для индукции просты, что снижает вероятность их выхода из строя. Кроме того, для управления подачей тепла на деталь не используются контакторы.

Универсальность. В дополнение к использованию системы индукционного нагрева Для предварительного нагрева и снятия напряжения с труб, пользователи адаптировали этот процесс для сварных швов, колен, клапанов и других деталей. Одним из аспектов индукционного нагрева, который делает его привлекательным для сложных форм, является возможность регулировки катушек во время процесса нагрева, чтобы приспособить уникальные детали и теплоотводы. Оператор может запустить процесс, определить эффект от нагрева в режиме реального времени и изменить положение катушки, чтобы изменить результат. Индукционные кабели можно перемещать, не дожидаясь воздушного охлаждения в конце цикла.

Индукционный нагрев перед сваркой

Эта технология хорошо зарекомендовала себя в ряде проектов, включая нефте- и газопроводы, строительство тяжелой техники, обслуживание и ремонт горного оборудования.

Нефтепровод. При обслуживании нефтепровода в Северной Америке требовалось нагреть трубу перед приваркой ремонтных муфт или фитингов к обхвату трубопровода диаметром 48 дюймов. Хотя рабочие могли выполнять многие ремонтные работы без необходимости останавливать поток нефти или сливать ее из трубы, присутствие сырой нефти само по себе снижало эффективность сварки, поскольку текущая нефть поглощала тепло. Пропановые горелки требовали постоянного прерывания сварки для поддержания тепла, а контактный нагрев, хотя и обеспечивал непрерывный нагрев, часто не мог обеспечить требуемую температуру шва.

Рабочие использовали две 25-киловаттные системы с параллельными одеялами для получения температуры предварительного нагрева 125 градусов при ремонте обхватывающих рукавов. В результате они сократили время цикла с восьми - 12 часов до четырех часов на сварку обхвата.

Предварительный нагрев для ремонта фитинга STOPPLE (Т-образное соединение с клапаном) был еще более сложным из-за большой толщины стенок фитинга. Однако при индукционном нагреве компания использовала четыре 25-киловаттные системы с параллельной установкой одеял. По две системы с каждой стороны Т. Одна система использовалась на магистрали для предварительного нагрева масла, а вторая - для предварительного нагрева Т на окружном сварном шве. Температура предварительного нагрева составляла 125 градусов. Это позволило сократить время сварки с 12-18 часов до семи часов на сварку обхвата.

Газопровод. Проект строительства газопровода предусматривал прокладку трубопровода диаметром 36 дюймов и толщиной 0,633 дюйма из Альберты (Канада) в Чикаго. На одном из участков этого трубопровода подрядчик использовал два 25-киловаттных источника питания, установленных на тракторе, а индукционные одеяла были закреплены на стрелах для скорости и удобства. Источники питания предварительно нагревали обе стороны стыка труб. Критически важными для этого процесса были скорость и надежный контроль температуры. По мере увеличения содержания сплавов в материалах для снижения веса и времени сварки, а также для увеличения срока службы деталей, контроль температуры предварительного нагрева становится все более критичным. При использовании индукционного нагрева для достижения 250-градусной температуры предварительного нагрева потребовалось менее трех минут.

Тяжелое оборудование. Производитель тяжелой техники часто приваривал зубья адаптера к кромкам ковша погрузчика. Прихваченный узел перемещали туда-сюда к большой печи, заставляя сварщика ждать, пока деталь неоднократно нагревалась. Производитель решил применить индукционный нагрев для предварительного нагрева узла, чтобы предотвратить перемещение изделия.

Материал был толщиной 4 дюйма с высокой температурой предварительного нагрева из-за содержания сплава. Для удовлетворения требований приложения были разработаны индукционные одеяла по индивидуальному заказу. Изоляция и конструкция катушки обеспечили дополнительное преимущество - экранирование оператора от лучистого тепла детали. В целом, работа стала значительно эффективнее, сократилось время сварки и поддерживалась температура на протяжении всего процесса сварки.

Горное оборудование. На одной из шахт при ремонте горного оборудования возникали проблемы с холодным растрескиванием и неэффективностью предварительного нагрева при использовании пропановых нагревателей. Операторам сварочных работ приходилось часто снимать обычное изолирующее одеяло с толстой детали, чтобы подать тепло и поддерживать нужную температуру.

Индукционный нагревательный элемент поддерживает температуру кромки ковша во время крепления зубьев.
На руднике решили попробовать индукционный нагрев с использованием плоских одеял с воздушным охлаждением для предварительного нагрева деталей перед сваркой. Индукционный процесс быстро нагревал деталь. Кроме того, его можно было использовать непрерывно в процессе сварки. Время ремонта сварного шва сократилось на 50 %. Кроме того, источник питания был оснащен терморегулятором для поддержания заданной температуры детали. Это практически исключало повторную обработку, вызванную холодным растрескиванием.

Электростанция. Компания, занимающаяся строительством электростанций, возводила электростанцию на природном газе в Калифорнии. Котельщики и трубопроводчики сталкивались с задержками в строительстве из-за методов предварительного нагрева и снятия напряжения, которые они применяли для паропроводов станции. В попытке повысить эффективность, особенно при работе со средними и крупными паропроводами, компания внедрила технологию индукционного нагрева, поскольку эти детали требуют больше всего времени на термообработку на стройплощадке.

Простота обертывания индукционных одеял вокруг сложных форм, как, например, на этой электростанции, работающей на природном газе, позволяет сократить время термообработки.
При изготовлении типичной 16-дюймовой сварной трубы с толщиной стенки 2 дюйма индукционный нагрев позволил сэкономить два часа времени на достижение температуры (600 градусов) и еще один час на достижение температуры выдержки (от 600 до 1 350 градусов) для снятия напряжения.