Cмоделируем нагрев трубы в зоне сварного шва

В статье рассматриваются следующие вопросы:

Ключевые слова: индукционный нагрев, сварной шов, тепловое поле

Нагрев зоны сварного шва на трубах большого диаметра при помощи индукционных установок - это последнее слово техники. Для нагрева используют УИНТы - специально разработанные установки индукционного нагрева.

Установка состоит из:

• Индуктора
• Источника питания током средней частоты - 2400 Гц.

В данной статье мы рассмотрим, как разрабатывается конструкция установки индукционного нагрева, как моделируются температурые показатели при нагреве труб большого диаметра. При разработке установки индукционного нагрева было проведено математическое моделирование зоны нагрева. Это сделано для того, чтобы найти правильную геометрию индуктора, параметры источника питания и определить, как распределяется температура в стенке трубы.

Условия моделирования индукционного нагрева

При моделировании были заданы следующие условия:

• Нагреваемая труба сделана из стали, ее диаметр D = 1420 мм и толщина стенки h = 33,4 мм.
• Труба является сплошной (не имеет разрыва в месте будущего шва).
• Результаты расчета изложены в картинках и графиках распределения мощности тепловыделения в трубе и температуры, а также интегральные показатели, такие как потребляемая мощность, КПД, cos(φ) и т.п.

Первый этап

Установка имеет индуктор, состоящий из 2-х секций. Каждая секция имеет 2 витка. Расстояние между секциями составляет 160 мм, что вполне достаточно для установки наружного трубного центратора.

Для расчета использовалась программа Universal 2D. Она помогла сделать расчеты кривых распределения температур вдоль стенки трубы. Программа основана на использовании численных методов (конечных разностей, конечных элементов, интегральных уравнений и их комбинаций) для совместного расчета электромагнитных и температурных полей в двухмерных областях.

На первом этапе мы выявили следующие данные:

• Основные энергетические показатели установки
• Графики распределения температуры вдоль и поперек стенки трубы с учетом начальных данных по характеристикам трубы.

Расчет показал:

• Потребляемая мощность установки P = 50 кВт.
• Время нагрева до заданной температуры t = 10 мин.
• Электрический КПД установки n = 81,7%.

Кривые распределения температуры вдоль стенки трубы представлены на рис.1.

Из рисунка видно, что ширина зоны нагрева с температурой 100⁰С и более, равна l = 260 мм.

Рис.1. Результаты расчета УИН на первом этапе.

1 – температура наружной поверхности, 2 – температура внутренней поверхности, 3 – средняя температура.

Второй этап

На втором этапе проводится уточнение расчетов с учетом формы разделки торцов труб (рис. 2.).

Рис.2. Форма разделки торцов труб

Для расчета использовался програма Elcut реализующая метод конечных элементов.

На втором этапе также решались электромагнитная и тепловая задачи, но в качестве результатов расчета получены следующие данные:

• Картина теплового поля.
• Графики распределения температуры вдоль интересующих контуров трубы.
• Графики изменения температуры во времени при нагреве и охлаждении трубы.

На рис. 3 показана картина теплового поля в зоне нагрева, а также расположение контрольной точки (X) и контуров A и В. Из рисунка видно, что труба имеет максимальную температуру (130 0С) в зонах расположения витков индуктора, а в зоне сварного шва порядка 100⁰С.

На рис. 3 и 4 показаны графики распределения температуры вдоль контуров A и B в конце интервала нагрева. Из графиков видно, что температура на свариваемых поверхностях равна 100 ⁰С, а на поверхности трубы под индуктором не превышает допустимых значений

Рис.3. Картина теплового поля

Рис.4/1. Распределение температуры по контуру «A» в конце нагрева

Рис.4/2. Распределение температуры по контуру «B» в конце нагрева

Дополнительно, на втором этапе рассчитывался режим естественного охлаждения трубы при отключении индуктора от источника питания. На рис. 5 показан график изменения температуры в контрольной точке X при охлаждении.

Рис.5. Изменение температуры в контрольной точке при охлаждении

Из графика следует, что поверхность в зоне сварного шва остается нагретой до температуры 1000⁰С еще около 10 мин.

• По результатам расчетов были оптимизированы конструктивные решения и режимы работы установки индукционного нагрева “ЭЛТЕРМ-С УИНТ-50-2,4”.
• Общий вид установки представлен на рис. 6.
• Индуктор и нагреваемая труба показаны на рис. 7.
• На основе моделирования спроектировано несколько видов индукторов, приведенных на рис. 7-11.

Рис.6. Общий вид установки индукционного нагрева “ЭЛТЕРМ-С УИНТ-50-2,4”

Рис.7. Мягкий гибкий индуктор на трубе

Рис.8. Фото мягкого гибкого индуктора на трубе

Рис. 9. Индуктор разъемный.

Рис. 10 Индуктор перекатный. На фото индуктор на трубе.

Рис. 11

Разработанные и серийно выпускаемые установки индукционного нагрева, оптимизированные по результатам расчетов, являются высокоэффективными технологическими установками индукционного нагрева при подогреве перед сваркой и сопутствующем подогреве. Авторы предлагают использовать накопленный опыт расчетов электромагнитных и тепловых расчетов при разработке индукционных установок для нагрева различных объектов (труб, фитингов, валов и т.п.).