涂层线钢管感应加热数值模拟研究

何春尧,温宏权

(宝山钢铁股份有限公司 1.钢管条钢事业部,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

近几十年来,随着对石油、天然气等能源的需求不断增长,我国启动了以“西气东输”为代表的多条大规模输送管道建设工程,迫切需要大批量高质量且能稳定生产的各种X80、X100、甚至X120等高等级管线钢钢管,大直径、高压力、大输送量已成为当前管道工业发展的重要趋势[1]。UOE成型的直缝焊管主要应用于大直径油气输送管线,为了防止土壤、海水等多种环境对钢管本体的腐蚀,一般需要在钢管外表面连续涂覆高性能的保护涂层[2-4]。在宝钢外涂覆生产线,抛丸处理后UOE钢管沿锥形辊辊道首尾相接,以一定速度旋转前进,经加热、喷粉、缠绕、冷却等工序连续生产“3PE”结构的防腐蚀复合涂层。其中,分级式中频感应加热的温度(180～240 ℃)在很大程度决定了后续静电喷涂的环氧树脂粉末在热态钢管表面的熔化、铺展及固化过程,是制约涂层质量与性能的一个非常重要的控制参数。

本文通过有限元数值模拟,分析电源参数、线圈结构及钢管规格等对钢管分级感应加热升温过程的影响,目的是研究提高焊管中频感应加热质量与效率,为打造绿色、智能、低碳的外涂覆生产线提供基础。

1 数值模型

数值建模时,采用1/2对称模型,对称中心为钢管中心轴线;钢管外径为914 mm,壁厚17.5 mm;感应线圈共2组,串联布置,每组线圈13匝,铜管截面尺寸25 mm×10 mm×2.5 mm,匝间距30 mm,每组线圈间距3 m (自然冷却);电源模型为电压源,LC并联回路。计算所采用的网格剖分(局部)及等效电路见图1。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical model

模型中,钢管速度V=1.2 m/min。

钢管移动表面与周围空气的对流换热系数h=20 W/(m2·K),钢管表面辐射换热系数ε=0.5 W/(m2·K4),钢管材料导热系数k=47 W/(m·K),且ρ·Cp=0.39E+7 J/(m3·K)。

2 计算结果与分析

2.1 电磁场与温度场

图2为感应加热电磁场分布。由图2可见,磁力线在感应线圈与钢管之间集中分布,且基本平行。线圈两端磁力线发散,说明在周围空气中存在较大的磁场损失。钢管内部由于钢管的“屏蔽”作用磁力线分布很少。

图2 电磁场Fig.2 Electromagnetic field

图3为二级感应加热过程钢管壁厚温度场分布。由图3可见,钢管经过第一级(下部)感应线圈的感应加热,室温钢管温度可以升高到150 ℃左右;经过第二级(上部)感应线圈的感应加热,钢管温度可以升高到涂覆工艺要求的180～240 ℃。

图3 温度场Fig.3 Temperature field

2.2 升温曲线

图4为涂覆钢管二级感应加热过程升温曲线,横坐标为距第一级感应线圈入口的距离(D),纵坐标为钢管温度(T)。由图4可见,在中频感应加热时,由于“集肤效应”的影响,钢管外表面升温速度较大,内表面升温速度较小,内外温差约30～40 K。出感应器后,钢管外壁温度有所降低,内壁温度有所升高,二者很快趋于相同。在感应器之间运行时,由于自然冷却作用,钢管内外壁温度均有所降低,而且低温段降温幅度较小,约为10 K左右;高温段降温幅度较大,约为20 K左右。

2.3 电源参数

改变感应加热电源参数对线圈电压、电流、功率的影响及所能加热的钢管最高温度(Tmax)如表1所示。由表1可见,电源电压越高,功率越大,钢管加热温度越高;频率越高,由于匹配电容越小,电源功率越小,钢管加热温度越低。因此,应该选择适当的感应加热频率和最佳的匹配电容,使电源输出最大的有效功率,使钢管特别是外壁温度在钢管到达涂覆点位置时满足涂层工艺要求,做到电源效率和加热效率同步提高。

图4 涂覆钢管感应加热曲线Fig.4 Induction heating curves of coated steel tube

表1 感应加热电源回路计算结果Table 1 Calculation results of induction heating power circuit

3 结论

(1) 感应加热电磁场磁力线集中分布在感应线圈与钢管之间,线圈两端存在较大的磁场损失。

(2) 分级感应加热时,钢管内外壁温差约30～40 K,出感应器后,外壁温度有所降低,内壁温度有所升高,并快速趋于相同。钢管自然冷却低温段温降约10 K,高温段温降约20 K。

(3) 选择适当的感应加热频率和匹配电容,使钢管特别是外壁温度在涂覆时满足涂层工艺要求,做到电源效率和加热效率同步提高。