高频感应加热螺栓试验器具优化研究

2022-06-24周霭琳朱凯亮朱元生

设备管理与维修 2022年10期

周霭琳，叶凯，朱凯亮，朱元生，刘斌

（中核核电运行管理有限公司，浙江嘉兴 314300）

0 引言

大型汽轮机汽缸由上下两部分组成，中分面法兰螺栓需要较大的紧固力才能保证严密性、安全性和较高的热效率，通常采用加热法对螺栓进行紧固，加热螺栓至规定伸长量后再进行松紧拆装。常用的加热法有电阻加热和高频加热，某电厂以前采用电阻加热器对螺栓进行加热，现改进使用新型的高频感应加热方式，感应加热利用电磁感应的方法使被加热材料的内部产生电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的[1-2]。但由于加热方法和人员操作不规范，导致螺栓无法紧固到位，经常返工、效率较低[3]。通过试验对感应加热器进行优化分析，以期寻找加热螺栓的最优加热器参数，并对非中心处加热的工况进行分析研究，确认加热器的安装范围及对热紧螺栓的温度、轴向应力、伸长量的影响。将优化后的螺栓加热方法运用于现场检修工作中，以规范检修操作，提升检修质量。

1 试验装置

采用电磁加热方式对螺栓进行加热，通过温度传感器、位移测量装置采集螺栓关键部位的温度和伸长量。将感应加热线棒插入螺栓的中心孔，通过接线器与高频电源相连；螺母顶部装有伸长量测量装置（由千分表、测量套筒和测量杆组成），用于测量螺母的加热伸长量，试验装置测试段如图1所示。

图1 试验装置测试段

2 感应加热器优化分析

由高频感应加热原理可知，加热器的功率、加热器和长度会对螺栓加热过程中控制参数的分布变化产生影响；试验中，加热器安装位置不同也会有显著差异。因此，选取加热器的功率、有效加热长度、安装位置作为待优化参数，并将加热棒有效加热部分三等分布置关键测点，如图2 所示，分别讨论不同参数对螺栓的加热过程中温度分布、轴向应力变化、内外壁温差、伸长量曲线的变化影响，针对典型规格的螺栓开发出加热效果最优的加热器尺寸参数，并确定最佳的安装方案，实现对热紧螺栓的最优加热。

图2 加热器优化参数试验示意

2.1 感应加热器功率优化

选取高压缸中分面5 英寸短粗型螺栓，对两种功率进行试验：第一组感应加热的加热棒输入功率为20 kW，环境温度19 ℃；第二组感应加热的加热棒输入功率为25 kW，环境温度17 ℃。加热棒的输入电流频率均保持恒定f=9430 Hz，输入电压恒定U=380 V（表1）。

表1 加热器及螺栓参数

试验采集数据如图3 所示，随着感应加热时间的增加，螺栓内壁中心温度逐渐上升，伸长量增大。由于螺栓整体温度在较长一段时间平稳增长，因此螺栓热膨胀的过程相对平稳，伸长量的变化曲线近乎直线。达到额定伸长量1.35 mm 时，第二组试验耗时9 mim，比第一组试验缩短时间约25%。因此，在条件允许范围内，适当提高感应加热功率，螺栓伸长速率更快，达到目标伸长量所需时间越短。

图3 螺栓伸长量和温度随时间变化曲线

2.3 感应加热器长度优化

感应加热器的热生成率直接决定了热紧螺栓的温度上升速度与加热效率，在相同电流密度下，感应加热的热生成率又与感应加热器的长度呈正比关系。因此，探究不同感应加热器的长度对加热过程的影响，分析热紧螺栓的温度场、应力场的变化关系，可实现感应加热器尺寸参数的选优。

选用M64 戴帽栽丝螺栓（H01.019.001）为试验对象（图4），规格见表2，在相同电流密度下，改变感应加热器的长度分别为L0=0.16 m、0.22 m、0.25 m、0.34 m 和0.37 m，感应加热器中心安装在螺栓的中心处，加热过程中螺栓内部的最高温度不超过500 ℃，规定伸长量为0.71 mm，安全许用应力350 MPa，关键测点的编号与图1 相同，不同加热器有效长度如图5 所示。

表2 M64 戴帽栽丝螺栓规格信息

图4 M64 戴帽栽丝螺栓

图5 不同加热器有效长度

试验采集数据如图6 所示，不同感应加热器长度L0下螺栓的伸长量随时间的变化曲线趋势基本相同，基本呈线性增长，并在一段加热时间后伸长量增长率增大。感应加热器的长度越长，螺栓伸长量的增长率越大，增长率变化的时间越早，螺栓达到目标伸长量（M64 规格的L0=0.71 mm）的时间越短。

图6 不同加热器长度L0 螺栓伸长量和最高温度随时间变化曲线

螺栓中心最高温度在不同电流密度下随时间的变化趋势基本线性增长，且感应加热器长度L0越长，热紧螺栓的最高温度越大。当L0=340 mm 和370 mm 时，热紧螺栓分别在580 s 和540 s 达到目标伸长量0.71 mm，此时螺栓中心最高温度均不超过500 ℃，感应加热过程满足工程安全要求。

螺栓的最大热应力在不同感应加热器长度下随时间的变化趋势基本相同（图7）。在相同时间内，螺栓的最大热应力随着感应加热器长度的增大而减小。感应加热器的长度L0越长，热紧螺栓的高温区域在轴向分布范围更长，即热紧螺栓在轴向受热范围更大，受热更均匀；当L0较短时，热紧螺栓在感应加热过程中受热不够均匀，会产生较大的热应力。由图7 可知，即使最短L0=0.16 m，热紧螺栓的最大热应力也小于350 MPa，小于螺栓材料的屈服极限。

图7 不同加热器长度下螺栓热应力随时间变化曲线

2.4 感应加热器安装位置优化

感应加热棒是插入到汽缸中分面法兰螺栓中心孔里，实际安装可能会偏上或偏下（图8），导致螺栓内部温度分布与理想变化规律不一致，长期如此可能会影响螺栓的应力分布情况及安全水平。以M64 栽丝螺栓为研究对象，选取加热器的有效加热长度L0=340 mm，在相同电流密度下，分别选择安装高度（t）为0.02 m、0.06 m、0.10 m、0.14 m 和0.18 m，对热紧螺栓进行感应加热分析，通过比较得到感应加热器安装位置的最优选择。

图8 加热器实际安装位置

试验采集数据如图9所示，在感应加热过程中，螺栓的伸长量基本呈线性增长，并在一段加热时间后伸长量增长率增大。安装高度t 越低，伸长量的增长率越大，但是影响较小，从图中可看出达到目标伸长量0.71 mm 的时间相差不大。

图9 不同加热器安装高度下螺栓伸长量和中心温度随时间变化曲线

螺栓的最高温度在不同安装高度下随时间的变化曲线基本重合。起初，螺栓的最高温度增长率较高，随着时间的推移，螺栓的最高温度的增长率逐渐平稳，最高温度逐渐呈线性增长。在相同加热时间内，安装高度t 对热紧螺栓的最高温度没有影响。达到目标伸长量0.71 mm基本用时580 s，此时不同安装高度下热紧螺栓的最高温度均不超过500 ℃，感应加热过程满足工程安全要求。

不同感应加热器安装高度下螺栓最大热应力随时间的变化趋势基本相同，如图10 所示，初期内外径温差迅速增大，热应力也随之迅速增大；随着时间推移，螺栓的最高温差趋于平稳，热应力也逐渐趋于平稳。感应加热器的安装高度t 越接近螺栓中部时，螺栓的高温区域在轴向分布范围更长，即螺栓在轴向受热范围更大，受热也更均匀。因此，在感应加热器的安装高度较低或者较高时，热紧螺栓在感应加热过程中受热不够均匀，会产生较大的热应力。即便如此，整个加热过程中，螺栓的最大热应力均小于螺栓材料的屈服极限300 MPa。