電阻加熱和感應加熱在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應用對比

■ 汪 彬，程顯平，呂 增，呂志軍，陳 哲，閔祥軍

1. 背景

海洋大型結(jié)構(gòu)件具有大厚度、大拘束度等特點。為保證焊接接頭的質(zhì)量，在焊前需要進行預熱，并保持層間溫度。溫度是保證焊接質(zhì)量的重要因素，而加熱設備的效果和能力又直接影響到保溫的效果，因此加熱設備的選擇對焊接質(zhì)量控制十分重要。

目前焊接工程中常用的加熱方式主要有三種：焊炬加熱、電阻加熱及電磁感應加熱。本文結(jié)合焊接工程實際對感應加熱和電阻加熱兩種常用的加熱方式進行了分析，總結(jié)出各自的優(yōu)勢及在使用過程中出現(xiàn)的一些問題。從加熱均勻性和加熱效率等方面對兩種方式進行了對比分析，以方便不同的工程項目結(jié)合自身特點來選擇不同的加熱方式。

圖1 環(huán)縫及加強環(huán)焊接時的預熱與保溫

圖2 空間TKY節(jié)點預熱保溫時加熱片布置

2. 電阻加熱設備

電阻加熱是目前應用最廣泛的一種加熱形式，是利用加熱片的電阻熱通過熱傳導對工件進行加熱。

電阻加熱器適用于各類節(jié)點形式，能滿足不同材料的預熱要求。圖1是利用電阻加熱器對某導管架結(jié)構(gòu)進行焊前預熱。

對于某些受到空間限制的結(jié)構(gòu)，例如高空的TKY節(jié)點，加熱片只能布置在臨近焊縫的位置，影響了加熱效果，升溫緩慢，現(xiàn)場經(jīng)常輔助焊炬加熱。圖2是空間TKY節(jié)點預熱時加熱片的布置情況。

從項目的應用經(jīng)驗來看，電阻加熱器具備功率大、加熱片可靈活布置等優(yōu)點，但是能量利用率低，空間布置有安全隱患。主要存在以下問題：

（1）預熱不均勻?？繜醾鲗щy以達到均勻一致的預熱溫度。

（2）能量利用率低，熱損耗嚴重。

（3）準備工作與輔助工序復雜，并存有安全隱患。

（4）對于復雜的空間TKY節(jié)點，加熱片不易布置。

3. 感應加熱設備

感應加熱是利用電磁感應原理。電纜中的中頻電流會感生出變化的磁場，工件處在該變化的磁場中，內(nèi)部就會產(chǎn)生感應電流，從而實現(xiàn)對工件加熱。其原理圖如圖3所示。利用感應加熱，工件溫升均勻，加熱效率高，速度快。加熱線圈本身并不發(fā)熱，使用中更加安全。

近年來，感應加熱設備在海洋鋼結(jié)構(gòu)焊接中的應用越來越多，為了對比兩種加熱方式的不同應用特點，分別對兩種加熱設備在環(huán)縫及TKY節(jié)點預熱方面設計了對比試驗，從溫度分布的均勻性及效率兩個方面進行了對比分析。

圖3 中頻感應加熱設備原理

圖4 電阻加熱測溫點分布示意

圖5 感應加熱管環(huán)縫焊接預熱

圖6 環(huán)縫預熱時的溫度分布

表1 電阻加熱器各測溫點溫度分布

表2 感應加熱器各測溫點溫度分布

4. 溫度均勻性對比

環(huán)縫的試驗選取規(guī)格為φ2800mm×80mm的導管。

傳統(tǒng)電阻加熱方式對此導管進行預熱采用8片加熱片均勻布置在導管外壁，每個加熱片功率為10kW。測溫點分布如圖4所示，具體升溫數(shù)據(jù)如表1所示。

感應加熱管環(huán)縫焊接預熱及測溫點分布如圖5所示，具體升溫數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6是兩種加熱方式的溫度分布曲線的對比。感應加熱在每個時間段的均勻性都要好于電阻加熱。

TKY節(jié)點預熱試驗選擇某導管架項目的低空TKY坡口。主管規(guī)格為φ2000 mm×80mm， 支管規(guī)格為φ1067mm×32mm。熱電偶布置以及測溫點分布情況如圖7所示 。兩種加熱設備的溫度分布情況分別如表3、表4所示。

從表3、表4中可看出，感應加熱最終溫度較均勻，最高和最低溫度差不超過5℃。而電阻加熱，在每個時間段的溫度都有較大波動，最終的溫度偏差最大為28℃。圖8是兩種加熱方式在不同時間段的溫度分布曲線，感應加熱的均勻性明顯好于電阻加熱。

圖7 TKY節(jié)點焊接預熱

圖8 TKY預熱時的溫度分布

5. 效率對比

在導管的預熱試驗中，中頻感應加熱從開始準備到達設定溫度，共需要102min。其中安裝設備、布置電纜由2名工人花費19min，純加熱時間75min。拆卸工作由2名工人在8min之內(nèi)完成，加熱共耗電50kW·h。

而利用傳統(tǒng)電阻加熱方式共耗時170min左右，其中布置加熱片需要40min，拆卸需要30min，至少需要1名焊工、2名電工。純加熱時間約100min。焊接完成后，對點焊角鐵的部位要進行打磨處理，并作磁粉無損檢測，工序復雜繁冗。

表5是對兩種加熱方式在準備工作和輔助工序的對比情況。感應加熱效率比電阻加熱效率提高40%左右，耗電量只有電阻加熱的39%。

表3 TKY節(jié)點感應加熱升溫數(shù)據(jù)

表4 TKY節(jié)點電阻加熱預熱升溫數(shù)據(jù)

表5 兩種加熱方式用時對比

6. 感應加熱的特點分析

通過試驗及工程應用實踐，從加熱效率與效果等方面來看，中頻感應加熱比傳統(tǒng)的電阻加熱具有較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）加熱均勻 中頻感應加熱利用電磁感應從內(nèi)部開始加熱，能保證溫度一致。

（2）安裝方便 感應加熱布線簡單方便，準備工作易完成。

（3）節(jié)能減排 避免了電阻加熱方式產(chǎn)生的能量損耗，能量利用率高。

（4）安全性好 電磁線圈并不發(fā)熱，改善了工人工作環(huán)境。

在實際生產(chǎn)任務中，特別是在現(xiàn)場組對施工中，感應加熱設備的應用還存在一些限制，主要問題如下：

一是設備額定功率較小，加熱能力有限。由于功率一般只有36kW，中頻感應加熱設備在加熱大型結(jié)構(gòu)件時，很難發(fā)揮出感應加熱設備的優(yōu)勢。若想達到最好的效果，就只能引進兩臺或更多的感應加熱設備同時工作，增加了一次性投入。

二是不適用于高空作業(yè)。由于電源線長度有限，內(nèi)有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，所以被加熱工件不能離感應加熱設備太遠，現(xiàn)場只能是低空作業(yè)。

三是對于某些復雜節(jié)點無法實現(xiàn)。由于感應加熱需要首先纏繞感應線圈，對于某些復雜結(jié)構(gòu)件無法布線，則無法實現(xiàn)預熱。

7. 結(jié)語

綜上所述，中頻感應加熱設備在加熱效率、溫度均勻性等方面具有難以比擬的優(yōu)勢，但是同時具備一些應用限制，比較適合于中等管徑的管環(huán)縫焊接的預熱、保溫及熱處理，各種工藝管線的熱處理及預熱，以及預制階段管徑較小馬鞍口(非高空)的預熱、焊后熱處理、后熱等。