專利名稱：大口徑高強度鋼管管口預熱裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到通過中頻電磁感應技術進行管體局部加熱的裝置，尤其適用于大口徑高強度鋼管敷設的油氣長輸管線施工中，對焊接管口進行局部加熱的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置(簡稱DGRF)。
(2)開合式中頻電磁感應加熱器以刀開關為斷開點，斷開點易出故障。管徑越大，電流越大，出故障幾率也越多；其無法適應更大的電流，難以滿足西氣東輸大口徑管口預熱的要求。
(3)開合式中頻電磁感應加熱器最大直徑只做到711mm，無法用于管徑1016mm的管口預熱。
(4)開合式中頻電磁感應加熱器，由于刀開關安全距離的要求尺寸較寬，加熱范圍大，加熱范圍超出管口預熱范圍(L-150mm)。(見附圖3中a)。熱量不集中造成多耗電能，還可能破壞管體防腐層。又要配備較大容量的中頻電源。
(5)開合式中頻電磁感應加熱器，加熱速度慢，與全自動內口焊機配合焊接預熱，限制全自動內口焊機焊接速度，直接影響施工進度。
中國專利局委托編號258檢索報告提示，只有A類技術背景文獻記錄(不相關行業(yè)的中頻電磁感應加熱)，沒有相關文獻記載，即有新穎性。
技術內容本實用新型的目的在于(1)把KGPS型水冷中頻電源改為KGPF型風冷設備，同時解決管口預熱達到溫度后自動停機問題。
(2)從根本上解除現(xiàn)有開合式電磁感應加熱器因刀開關發(fā)熱而故障的憂患，減少維修；取消刀開關，找出加熱器線圈更新的繞制方法，以解決加熱器的不安全因素。
(3)減小現(xiàn)有加熱器本體寬度，當然，徹底改變開合式電磁感應加熱器的模式，是個復雜技術問題，但又是急待解決的課題。
(4)提高加熱器的溫升速度，以適應全自動內口焊機快速焊接的要求。研制出適應管徑1016mm的電磁感應加熱器。
亦即提供一種適合西氣東輸使用的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的包括骨架1、支撐架2、繞組3、外防護罩4、導磁體5，骨架1上有支撐架2，骨架1上有繞組3，外防護罩4上有導磁體5。
本實用新型還采用如下技術方案線圈繞組3為連續(xù)雙繞，其形狀與管體7直徑配套。
線圈3有磁導體，其形狀與線圈3配套。
導線6從一端進入連續(xù)雙繞，由同一端另一側引出。
導現(xiàn)6在管體7上的的線圈寬度小于管口預熱寬度L。
線圈3與管體7的間距小于10mm。優(yōu)點效果(1).中頻電源由水冷改為風冷，減少了水系統(tǒng)和一個0.5立方米的水箱。中頻電源箱體尺寸由1620×850×1820mm縮小到900×700×1500mm，箱體體積縮小到原水冷電源箱體體積的38％；總重量由水冷設備的1300kg降為約500kg；風冷中頻電源體積、重量的改進效果，一方面是水冷改風冷的結果，另一方面是電源線路和元氣件有較大改進和提高的結果。預熱管口是否加熱到要求的溫度不可能每次測量，通過控制回路增加時間元件實現(xiàn)達到預熱溫度自動停機。
(2).現(xiàn)有電磁感應加熱器繞組都是螺旋繞法，要把加熱器套在管體上或者把加熱器從管體上取下來，都必須把加熱器繞組各匝斷開，否則是實現(xiàn)不了的。為了斷開加熱器繞組的各匝導線，開合式加熱器就在加熱器繞組各匝導線上裝一個刀開關，需要打開加熱器時，把刀開關打開，加熱時，把刀開關閉合。每加熱一道口，刀開關開合一次，不僅操作煩瑣，而且因刀開關接觸不良易出故障，工作可靠性差。為了改變這一現(xiàn)狀，我們走出常規(guī)螺旋繞法的束縛。經(jīng)過反復多次試驗，采用無斷點雙繞，實現(xiàn)了加熱器繞組無斷點開合，其原理見無斷點開合式加熱器繞組展開圖附圖2所示。由于實用新型線圈沒有刀開關，繞組免維修，徹底解除了開合式電磁感應加熱器開合有斷點的憂患，簡化了操作，提高了可靠性。
(3).實用新型加熱器線圈繞制改進的成功，為我們密集導線創(chuàng)造了條件，實用新型加熱器寬度小于110mm。為磁場集中、熱能集中走出了第一步。
(4).實用新型無斷點開合式加熱器的性能中頻電磁感應加熱過程是電能→磁場能→熱能的轉換過程。要提高效率，只能使最終需要的熱能充分利用，減少浪費。加熱器線圈增加磁導體的結果，使其熱能利用率比現(xiàn)有開合式加熱器高出3倍多。


圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型繞組展開示意圖；圖3為開合式加熱器導線布置示意圖；圖4為本實用新型導線布置示意圖；圖5為本實用新型疏導、收縮磁場示意圖。
圖6為負載電流500安時的溫度分布曲線圖具體實施本實用新型主要由風冷式中頻電源柜及無斷點電磁感應加熱器兩部分組成。
如附圖1無斷點開合式電磁感應加熱器(由于其節(jié)能，也稱為節(jié)能型加熱器)的外形與現(xiàn)有開合式電磁感應加熱器的外形差別不大，現(xiàn)有開合式電磁感應加熱器的底部安裝有刀開關，而實用新型無斷點開合式電磁感應加熱器的底部什么也沒有安裝，只有繞組的兩個引線接頭。兩者結構上的差別是繞組形式不同和有否導磁體，這些差別在加熱器內部體現(xiàn)，在外形上看不出來。
(2)實用新型無斷點開合式電磁感應加熱器繞組展開示意見附圖2所示。
從圖2看出，線圈繞組的繞制已完全脫開傳統(tǒng)螺旋繞法，把它放在管體上是開放的，取拿很容易。不象螺旋線圈一旦套在管體上，取拿必須有手段。
現(xiàn)有開合式中頻電磁感應加熱器與實用新型無斷點開合式電磁感應加熱器線圈導線布置示意見附圖3、附圖4，圖3中線圈寬度大于管口預熱寬度L；圖4中線圈寬度小于管口預熱寬度L。這就意味著實用新型無斷點開合式電磁感應加熱器能夠集中能量。
實用新型元斷點開合式電磁感應加熱器疏導、收縮磁場示意圖見附圖5。L為管口預熱寬度；兩種加熱器相同加熱時間、相同電氣參數(shù)500安時溫度分布曲線，如圖6所示。
從分布曲線圖看出，兩種加熱器相同加熱時間、相同電氣參數(shù)時，實用新型加熱器與原加熱器相比，焊縫處至預熱范圍內溫度高得多，而預熱范圍外急速衰減到相同值，高效節(jié)能明顯。
本實用新型的性能、結構前面已做了較詳細介紹，現(xiàn)在對比一組在同一管口處測試的數(shù)據(jù)，比較兩種加熱器性能上的差別。這里原有加熱器采用整體繞組(不用刀開關)，刀開關開合式繞組由于刀開關的存在性能更差。加熱器 功率/kW電壓/V負載電流/A 環(huán)境溫度/初始溫度/℃ 管體終溫/℃ 加熱時間/秒原有加熱器49590790 28/37 142120節(jié)能加熱器35380500 24/24 164 60以千焦耳/溫升(kJ/℃)來比較兩個加熱器的熱能利用情況，
原有加熱器為49×120/(142-37)＝56kJ/℃節(jié)能加熱器為35×60/(164-24)＝15kJ/℃在管口預熱時，把熱能都集中在焊口左右100～150mm范圍內(根據(jù)需要這個范圍可大可小)，在這個范圍以外的熱能盡量少。我們這次研制的節(jié)能型中頻電磁感應加熱器，就具備這一特點，而且在有用的范圍內，溫度分布也不一樣，在焊口處溫度最高，在100mm范圍以外的地方溫度下降很快。
用節(jié)能加熱器與開合式加熱器相比，以西氣東輸所用的管體為例，達到相同的管口預熱溫度，節(jié)能加熱器需要30～50kW，加熱時間1～2分鐘。而開合式加熱器需要60～80kW，加熱時間3～5分鐘。
從前面的測試數(shù)據(jù)和管體溫度分布曲線圖以及管口預熱所需要的電功率來看，節(jié)能加熱器(無斷點開合式電磁感應加熱器)的高效、節(jié)能是非常明顯的。
解決中頻電源的風冷，對中頻電源的發(fā)熱元器件增加散熱面積，計算出合理的電流密度，采用強制通風，并設溫度保護。理論計算與實踐經(jīng)驗相結合，把發(fā)熱元件的發(fā)熱量降到最低值。例如水冷電容器的發(fā)熱量可降到原來的1/16～1/25。
中頻電源控制電路增加按預熱時間自動停機部分，時間長短可調，時間整定值在整套設備調試時，配合功率、溫度具體確認。
現(xiàn)有電磁感應加熱器繞組都是采用螺旋繞法，在打開加熱器時必須把加熱器繞組斷開。我們采用無斷點雙繞的繞法，在打開加熱器時，不必把加熱器繞組斷開。在設計出無斷點開合的加熱器繞組后(見附圖2)，我們設計出直徑1016mm的無斷點開合式中頻電磁感應加熱器。線圈的特殊繞法使得其產(chǎn)生的磁場也有變化，通過理論判斷及試驗，我們找出它的磁場規(guī)律及其對溫度場性能的影響。
開合式磁感應加熱器線圈受刀開關安全距離的限制，難以減小其寬度。而實用新型無斷點繞組的出現(xiàn)，沒有刀開關的限制，可改變線圈導線布置，密集纏繞，使加熱器寬度小于管口預熱范圍L(見附圖4)。
實用新型的磁場性能磁通受控與磁導體技術用于管口加熱器是初步嘗試。增加磁導體(見附圖5)，疏導磁力線，根據(jù)無斷點雙繞線圈的導線布置，設計磁導體的形狀，其布置應考慮散熱，整體尺寸配合線圈直徑。最終達到磁場集中，熱能集中。
.現(xiàn)有開合式電磁感應加熱器，是以刀開關接通與斷開線圈各匝，電流越大刀開關發(fā)熱故障機會也越多，不安全因素已經(jīng)潛伏在內。而刀開關的安全距離要求，又使加熱器的寬度大于管口預熱寬度，加熱分散，熱能利用低；刀開關成為此種加熱器各類弊端的發(fā)源地。而實用新型無斷點開合式加熱器取消了刀開關，由此而產(chǎn)生的弊端自然消失。
.利用中頻電磁感應加熱器進行管口預熱，其原理是中頻電源把交變電能輸送給感應加熱器，加熱器把交變電能轉變成交變磁場能，交變磁場在管體內產(chǎn)生渦流和磁滯，渦流和磁滯使管體發(fā)熱。加熱器磁場在管體內范圍有多大，管體內的溫度場就有多大。加熱器的磁場是開放性的(比加熱器的寬度大的多)，這就決定了管體溫度場范圍是大的，特別是有斷點的開合式加熱器，由于加熱器比較寬，溫度場范圍更大。管口預熱是局部加熱，超出管口預熱范圍的溫度場熱能是無用的，這就是開合式感應加熱器熱能利用率低下的主要原因。
實用新型無斷點開合式加熱器正是利用這一原理，縮小溫度場的范圍。采取疏導磁力線、限制磁場范圍的方法，把磁場、溫度場限制在管口預熱范圍以內。而且在管口預熱范圍以內溫度場也是焊縫處最強，預熱范圍以外溫度場急速衰減。使加熱器的熱能得到充分利用，大大提高了加熱器的熱能利用率。其實施方法如附圖4所示。
本發(fā)明中利用密集導線、集中磁場、重點加熱的技術，大大提高了熱能利用率。
權利要求1.大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，包括骨架(1)、支撐架(2)、繞組(3)、外防護罩(4)、導磁體(5)，其特征在于骨架(1)上有支撐架(2)，骨架(1)上有繞組(3)，外防護罩(4)上有導磁體(5)。
2.根據(jù)權利要求1所述的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，其特征在于線圈(3)為連續(xù)雙繞，其形狀與管體(7)直徑配套。
3.根據(jù)權利要求1所述的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，其特征在于線圈(3)有磁導體，其形狀與線圈(3)配套。
4.根據(jù)權利要求1所述的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，其特征在于導線(6)從一端進入連續(xù)雙繞，由同一端另一側引出。
5.根據(jù)權利要求1所述的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，其特征在于導線(6)在管體(7)上的線圈寬度小于管口預熱寬度L。
6.根據(jù)權利要求1所述的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置，其特征在于線圈(3)與管體(7)的間距小于10mm。
專利摘要一種適用于大口徑高強度鋼管敷設的油氣長輸管線施工中,對焊接管口進行局部加熱的大口徑高強度鋼管管口預熱裝置,包括骨架1、支撐架2、繞組3、外防護罩4、導磁體5,骨架1上有支撐架2,骨架1上有繞組3,外防護罩4上有導磁體5,把KGPS型水冷中頻電源改為KGPF型風冷設備,同時解決管口預熱達到溫度后自動停機問題,減少維修;取消刀開關,找出加熱器線圈更新的繞制方法,減小現(xiàn)有加熱器本體寬度,提高加熱器的溫升速度,以適應全自動內口焊機快速焊接的要求,研制出適應管徑1016mm的電磁感應加熱器。
文檔編號C21D9/08GK2507219SQ01270558
公開日2002年8月21日 申請日期2001年11月14日 優(yōu)先權日2001年11月14日
發(fā)明者張吉海, 陳兵劍, 王林章, 許金華, 石文建, 孫克剛, 智影, 張利洲 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油天然氣管道局