高頻感應(yīng)加熱螺栓試驗(yàn)器具優(yōu)化研究

周靄琳，葉 凱，朱凱亮，朱元生，劉 斌

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

大型汽輪機(jī)汽缸由上下兩部分組成，中分面法蘭螺栓需要較大的緊固力才能保證嚴(yán)密性、安全性和較高的熱效率，通常采用加熱法對(duì)螺栓進(jìn)行緊固，加熱螺栓至規(guī)定伸長(zhǎng)量后再進(jìn)行松緊拆裝。常用的加熱法有電阻加熱和高頻加熱，某電廠以前采用電阻加熱器對(duì)螺栓進(jìn)行加熱，現(xiàn)改進(jìn)使用新型的高頻感應(yīng)加熱方式，感應(yīng)加熱利用電磁感應(yīng)的方法使被加熱材料的內(nèi)部產(chǎn)生電流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的[1-2]。但由于加熱方法和人員操作不規(guī)范，導(dǎo)致螺栓無(wú)法緊固到位，經(jīng)常返工、效率較低[3]。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)感應(yīng)加熱器進(jìn)行優(yōu)化分析，以期尋找加熱螺栓的最優(yōu)加熱器參數(shù)，并對(duì)非中心處加熱的工況進(jìn)行分析研究，確認(rèn)加熱器的安裝范圍及對(duì)熱緊螺栓的溫度、軸向應(yīng)力、伸長(zhǎng)量的影響。將優(yōu)化后的螺栓加熱方法運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)檢修工作中，以規(guī)范檢修操作，提升檢修質(zhì)量。

1 試驗(yàn)裝置

采用電磁加熱方式對(duì)螺栓進(jìn)行加熱，通過(guò)溫度傳感器、位移測(cè)量裝置采集螺栓關(guān)鍵部位的溫度和伸長(zhǎng)量。將感應(yīng)加熱線棒插入螺栓的中心孔，通過(guò)接線器與高頻電源相連；螺母頂部裝有伸長(zhǎng)量測(cè)量裝置（由千分表、測(cè)量套筒和測(cè)量桿組成），用于測(cè)量螺母的加熱伸長(zhǎng)量，試驗(yàn)裝置測(cè)試段如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置測(cè)試段

2 感應(yīng)加熱器優(yōu)化分析

由高頻感應(yīng)加熱原理可知，加熱器的功率、加熱器和長(zhǎng)度會(huì)對(duì)螺栓加熱過(guò)程中控制參數(shù)的分布變化產(chǎn)生影響；試驗(yàn)中，加熱器安裝位置不同也會(huì)有顯著差異。因此，選取加熱器的功率、有效加熱長(zhǎng)度、安裝位置作為待優(yōu)化參數(shù)，并將加熱棒有效加熱部分三等分布置關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示，分別討論不同參數(shù)對(duì)螺栓的加熱過(guò)程中溫度分布、軸向應(yīng)力變化、內(nèi)外壁溫差、伸長(zhǎng)量曲線的變化影響，針對(duì)典型規(guī)格的螺栓開(kāi)發(fā)出加熱效果最優(yōu)的加熱器尺寸參數(shù)，并確定最佳的安裝方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱緊螺栓的最優(yōu)加熱。

圖2 加熱器優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)示意

2.1 感應(yīng)加熱器功率優(yōu)化

選取高壓缸中分面5 英寸短粗型螺栓，對(duì)兩種功率進(jìn)行試驗(yàn)：第一組感應(yīng)加熱的加熱棒輸入功率為20 kW，環(huán)境溫度19 ℃；第二組感應(yīng)加熱的加熱棒輸入功率為25 kW，環(huán)境溫度17 ℃。加熱棒的輸入電流頻率均保持恒定f=9430 Hz，輸入電壓恒定U=380 V（表1）。

表1 加熱器及螺栓參數(shù)

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖3 所示，隨著感應(yīng)加熱時(shí)間的增加，螺栓內(nèi)壁中心溫度逐漸上升，伸長(zhǎng)量增大。由于螺栓整體溫度在較長(zhǎng)一段時(shí)間平穩(wěn)增長(zhǎng)，因此螺栓熱膨脹的過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，伸長(zhǎng)量的變化曲線近乎直線。達(dá)到額定伸長(zhǎng)量1.35 mm 時(shí)，第二組試驗(yàn)耗時(shí)9 mim，比第一組試驗(yàn)縮短時(shí)間約25%。因此，在條件允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高感應(yīng)加熱功率，螺栓伸長(zhǎng)速率更快，達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量所需時(shí)間越短。

圖3 螺栓伸長(zhǎng)量和溫度隨時(shí)間變化曲線

2.3 感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度優(yōu)化

感應(yīng)加熱器的熱生成率直接決定了熱緊螺栓的溫度上升速度與加熱效率，在相同電流密度下，感應(yīng)加熱的熱生成率又與感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度呈正比關(guān)系。因此，探究不同感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度對(duì)加熱過(guò)程的影響，分析熱緊螺栓的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱器尺寸參數(shù)的選優(yōu)。

選用M64 戴帽栽絲螺栓（H01.019.001）為試驗(yàn)對(duì)象（圖4），規(guī)格見(jiàn)表2，在相同電流密度下，改變感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)0=0.16 m、0.22 m、0.25 m、0.34 m 和0.37 m，感應(yīng)加熱器中心安裝在螺栓的中心處，加熱過(guò)程中螺栓內(nèi)部的最高溫度不超過(guò)500 ℃，規(guī)定伸長(zhǎng)量為0.71 mm，安全許用應(yīng)力350 MPa，關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的編號(hào)與圖1 相同，不同加熱器有效長(zhǎng)度如圖5 所示。

表2 M64 戴帽栽絲螺栓規(guī)格信息

圖4 M64 戴帽栽絲螺栓

圖5 不同加熱器有效長(zhǎng)度

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖6 所示，不同感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度L0下螺栓的伸長(zhǎng)量隨時(shí)間的變化曲線趨勢(shì)基本相同，基本呈線性增長(zhǎng)，并在一段加熱時(shí)間后伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)率增大。感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，螺栓伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)率越大，增長(zhǎng)率變化的時(shí)間越早，螺栓達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量（M64 規(guī)格的L0=0.71 mm）的時(shí)間越短。

圖6 不同加熱器長(zhǎng)度L0 螺栓伸長(zhǎng)量和最高溫度隨時(shí)間變化曲線

螺栓中心最高溫度在不同電流密度下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本線性增長(zhǎng)，且感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度L0越長(zhǎng)，熱緊螺栓的最高溫度越大。當(dāng)L0=340 mm 和370 mm 時(shí)，熱緊螺栓分別在580 s 和540 s 達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm，此時(shí)螺栓中心最高溫度均不超過(guò)500 ℃，感應(yīng)加熱過(guò)程滿足工程安全要求。

螺栓的最大熱應(yīng)力在不同感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度下隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同（圖7）。在相同時(shí)間內(nèi)，螺栓的最大熱應(yīng)力隨著感應(yīng)加熱器長(zhǎng)度的增大而減小。感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度L0越長(zhǎng)，熱緊螺栓的高溫區(qū)域在軸向分布范圍更長(zhǎng)，即熱緊螺栓在軸向受熱范圍更大，受熱更均勻；當(dāng)L0較短時(shí)，熱緊螺栓在感應(yīng)加熱過(guò)程中受熱不夠均勻，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。由圖7 可知，即使最短L0=0.16 m，熱緊螺栓的最大熱應(yīng)力也小于350 MPa，小于螺栓材料的屈服極限。

圖7 不同加熱器長(zhǎng)度下螺栓熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

2.4 感應(yīng)加熱器安裝位置優(yōu)化

感應(yīng)加熱棒是插入到汽缸中分面法蘭螺栓中心孔里，實(shí)際安裝可能會(huì)偏上或偏下（圖8），導(dǎo)致螺栓內(nèi)部溫度分布與理想變化規(guī)律不一致，長(zhǎng)期如此可能會(huì)影響螺栓的應(yīng)力分布情況及安全水平。以M64 栽絲螺栓為研究對(duì)象，選取加熱器的有效加熱長(zhǎng)度L0=340 mm，在相同電流密度下，分別選擇安裝高度（t）為0.02 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m 和0.18 m，對(duì)熱緊螺栓進(jìn)行感應(yīng)加熱分析，通過(guò)比較得到感應(yīng)加熱器安裝位置的最優(yōu)選擇。

圖8 加熱器實(shí)際安裝位置

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖9所示，在感應(yīng)加熱過(guò)程中，螺栓的伸長(zhǎng)量基本呈線性增長(zhǎng)，并在一段加熱時(shí)間后伸長(zhǎng)量增長(zhǎng)率增大。安裝高度t 越低，伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)率越大，但是影響較小，從圖中可看出達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm 的時(shí)間相差不大。

圖9 不同加熱器安裝高度下螺栓伸長(zhǎng)量和中心溫度隨時(shí)間變化曲線

螺栓的最高溫度在不同安裝高度下隨時(shí)間的變化曲線基本重合。起初，螺栓的最高溫度增長(zhǎng)率較高，隨著時(shí)間的推移，螺栓的最高溫度的增長(zhǎng)率逐漸平穩(wěn)，最高溫度逐漸呈線性增長(zhǎng)。在相同加熱時(shí)間內(nèi)，安裝高度t 對(duì)熱緊螺栓的最高溫度沒(méi)有影響。達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量0.71 mm基本用時(shí)580 s，此時(shí)不同安裝高度下熱緊螺栓的最高溫度均不超過(guò)500 ℃，感應(yīng)加熱過(guò)程滿足工程安全要求。

不同感應(yīng)加熱器安裝高度下螺栓最大熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，如圖10 所示，初期內(nèi)外徑溫差迅速增大，熱應(yīng)力也隨之迅速增大；隨著時(shí)間推移，螺栓的最高溫差趨于平穩(wěn)，熱應(yīng)力也逐漸趨于平穩(wěn)。感應(yīng)加熱器的安裝高度t 越接近螺栓中部時(shí)，螺栓的高溫區(qū)域在軸向分布范圍更長(zhǎng)，即螺栓在軸向受熱范圍更大，受熱也更均勻。因此，在感應(yīng)加熱器的安裝高度較低或者較高時(shí)，熱緊螺栓在感應(yīng)加熱過(guò)程中受熱不夠均勻，會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。即便如此，整個(gè)加熱過(guò)程中，螺栓的最大熱應(yīng)力均小于螺栓材料的屈服極限300 MPa。

圖10 不同加熱器安裝高度下螺栓熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

3 總結(jié)與應(yīng)用

通過(guò)對(duì)5″-8UN 雙頭加熱螺栓的功率和材料進(jìn)行試驗(yàn)，以及對(duì)螺栓長(zhǎng)度更長(zhǎng)、試驗(yàn)效果更明顯的M64 加熱螺栓進(jìn)行不同加熱棒長(zhǎng)度、安裝高度的試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

（1）在條件允許范圍內(nèi)，適當(dāng)提高感應(yīng)加熱功率，或者選用導(dǎo)磁率更高的加熱棒材料，能提高加熱效率，螺栓伸長(zhǎng)速率更快，達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量所需時(shí)間越短。

（2）感應(yīng)加熱器的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，熱緊螺栓達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量的時(shí)間越短，熱緊螺栓的最高溫度越大，螺栓的最大熱應(yīng)力越小。

（3）感應(yīng)加熱器的安裝高度t 對(duì)伸長(zhǎng)量的增長(zhǎng)影響較小，達(dá)到目標(biāo)伸長(zhǎng)量的時(shí)間相差不大，對(duì)螺栓的最高溫度沒(méi)有影響；安裝高度越接近螺栓中部時(shí)，螺栓所受熱應(yīng)力越小。

參照本試驗(yàn)方案對(duì)感應(yīng)加熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，在該電廠210大修中對(duì)汽輪機(jī)低壓缸中分面5″-8UN 雙頭加熱螺栓進(jìn)行驗(yàn)證，加熱時(shí)間比110 大修縮短30%，且沒(méi)有一顆使用大錘強(qiáng)力拆除。同時(shí)，將加熱棒安裝要求明確在技術(shù)規(guī)格書(shū)中，規(guī)范了維修現(xiàn)場(chǎng)操作，提升檢修質(zhì)量。