Модернизация установки для термической обработки коксовых камер модели «КSCT–12»

Аннотация

В данном проекте рассматривается модернизация установки для термической обработки коксовых камер модели «КSCT — 12». Усовершенствоваться будет практический вся установка кроме силовых трансформаторов:

будут изготавливаться новые шкафы управления. Новые программные регуляторы расширяют возможности программного регулирования, дистанционного управления и передачи данных на персональный компьютер;

производится выбор другого метода нагрева, который позволит расширить номенклатуру обрабатываемых изделий _мах=8000 мм, включая коксовые камеры;

рассматриваются новые методы крепления термопар к сварному соединению и методы передачи данных.

термическая обработка коксовая камера

• Аннотация
• Введение
• 1. Назначение, виды и режимы термообработки
• 1.1 Назначение термообработки
• 1.2 Режимы термообработки
• 1.3 Методы нагрева
• 2. Оборудование используемое при термообработке
• 2.1 Нагревательные устройства
• 2.2 Измерение температуры
• 3. Описание установки
• 3.1 Описание
• 3.2 Задачи модернизации
• 3.3 Тепловой расчет термообработки сосудов диаметром от 5000 мм до 8000 мм, длиной до 3000 мм
• 4. Модернизация установки
• 4.1 Разработка шкафа управления
• 4.2 Выбор терморегулятора
• 4.3 Программирование терморегулятора «Термодат — 16Е3»
• 5. Безопасность жизнедеятельности
• 5.1 Особенности помещений для работы с ПЭВМ
• 5.2 Требования к микроклимату помещения с ВДТ и ПЭВМ
• 5.3 Шум и вибрация на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ
• 5.4 Освещение помещений и рабочих мест, оборудованных ВДТ и ПЭВМ
• 5.5 Требования к уровням электромагнитных полей на рабочих местах, оборудованных ПЭВМ
• 5.6 Требования к визуальным параметрам ВДТ, контролируемым на рабочих местах
• 5.7 Организация и оборудование рабочего места диспетчера ПЭВМ
• 5.7 Требования к организации медицинского обслуживания пользователей ПЭВМ
• 6. Экономическая часть
• 6.1 Теоретическая часть
• 6.2 Определение затрат на этапе разработки
• 6.3 Определение затрат на этапе монтажа
• Весь расчет по определению себестоимости сведен в таблицу 11.
• 6.4 Расчет эффективности инвестиций
• Заключение
• Список литературы

Одним из основных технологических процессов при монтаже и ремонте сварных соединений трубопроводов и сосудов давления в различных отраслях промышленности (газовой, нефтяной нефтеперерабатывающей, тепловой энергетике и др.) является местная термическая обработка сварных соединений, направленная на снижение уровня сварочных напряжений, улучшение структуры, механических и специальных свойств (коррозионной стойкости, жаропрочности, хладостойкости и т. п.) сварных соединений.

С каждым годом возрастают требования к качеству термической обработки в связи с применением новых марок сталей, увеличением диаметров и толщин стенок трубопроводов и сосудов давления, ростом эксплуатационных параметров рабочей среды (увеличение давления, температуры, опасности возникновения коррозионных трещин и т. д.). Все это требует применения новых более сложных видов оборудования, материалов и приборов для термообработки, что в свою очередь повышает требования к квалификации персонала, занятого на работах по термообработке сварных соединений, в первую очередь операторов-термистов, работающих на передвижных термических установках.

Соединения, выполненные дуговыми способами сварки, непосредственно после процесса характеризуются неоднородностью структуры и свойств сварного шва, зоны термического влияния (ЗТВ), а также наличием в них сварочных напряжений.

Неоднородность структуры соединения зависит главным образом от неравномерности нагрева металла при сварке. Металл шва в процессе сварки в расплавленном состоянии имеет температуру выше 1500 °C, в то время, как соседние со швом участки металла нагреваются в меньшей степени и находятся в твердом состоянии. Прочность и твердость металла шва обычно в 1,5−2 раза превышают эти характеристики в ЗТВ и основном металле. Неравномерное значение в сварном соединении имеют и специальные свойства, такие как жаропрочность, хладостойкость, коррозионная стойкость. Такое неудовлетворительное состояние металла усугубляется действием сварочных напряжений, которые могут достигать значений, близких к пределу текучести (250−350 МПа). Появление сварочных напряжений обусловлено неравномерностью нагрева различных зон соединения и усадкой металла при охлаждении, структурными изменениями и жесткостью свариваемого изделия. Сварочные напряжения опасны тем, что могут вызвать появление трещин в сварных соединениях, особенно из легированных сталей. Кроме того, эти стали при сварке в производственных условиях быстро остывают, что приводит к образованию закалочных структур в шве и ЗТВ, также способствующих трещинообразованию.

Одним из основных средств повышения надежности сварных соединений является термическая обработка (ТО), в результате которой снижается уровень сварочных напряжений, улучшается структура и свойства металла соединения.

При строительно-монтажных работах, ремонте технологического оборудования и трубопроводов сварные соединения подвергают местной термообработке, при которой нагревают сварной шов, ЗТВ и участки основного металла, примыкающие к сварному шву с двух сторон. В отдельных случаях для сварных конструкций применяют полную (объемную) термообработку, когда конструкцию нагревают целиком за один цикл (объемная термообработка шаровых резервуаров) или последовательно участками (восстановительная термообработка паропроводов и барабанов на тепловых электростанциях ТЭС).

1. Назначение, виды и режимы термообработки

1.1 Назначение термообработки

Необходимость проведения ТО определяют научно-исследовательские институты при проведении опытных работ. При этом учитывают требования, предъявляемые к сварным соединениям, химический состав используемых металлов, эксплуатационные условия производства (температура, давление и коррозионная опасность рабочей среды, климатические условия и т. п.). Определяют вид термообработки, разрабатывают ее режимы и выпускают НТД (нормативно-технические документы), которые являются руководящим материалом при назначении и проведении ТО. Термообработку обычно назначают для сварных соединений из перлитных закаливающихся сталей типа 12Х1МФ и т. п., реже термообработку предписывают для сварных соединений из перлитных низкоуглеродистых сталей типа сталь 20 и низколегированной типа 09Г2С для снижения уровня сварочных напряжений в том случае, если эти стали работают в контакте с коррозионно-опасными средами. Как правило, каждая отрасль промышленности имеет свои НТД по термообработке сварных соединений, которые отражают особенности данного производства. Эти документы должны быть согласованы с инспекцией Госгортехнадзора.

1.2 Режимы термообработки

Процесс термообработки состоит из трех последовательных этапов: нагрев до определенной температуры с заданной скоростью, выдержка при этой температуре в течение определенного времени и последующее охлаждение с заданной скоростью.

При строительно-монтажных работах, в ремонтных условиях для сварных соединений технологических трубопроводов и оборудования применяют следующие виды термообработки: высокий отпуск, нормализацию, термический отдых, стабилизирующий отжиг и аустенизацию (рис.1), восстановительную термообработку (нормализация + высокий отпуск), а также отжиг для сварных соединений чугунных трубных элементов.

Рис. 1. График термообработки сварных соединений из стали 12Х1МФ (а) и хромоникелевой (нержавеющей) стали 12Х18Н9Т: 1 — термический отдых; 2 — высокий отпуск; 3 — нормализация; 4 — стабилизирующий отжиг; 5 — аустенизация; Т (А_с1), Т (А_с3) — температуры критических точек структурных изменений.

Высокий отпуск. При термообработке сварное соединение нагревают до температуры на 20−30°С ниже температуры критической точки А_C1 выдерживают в течение 1−5 ч и затем медленно охлаждают. При этом на 70−90% снижается уровень сварочных напряжений, происходят структурные изменения в сварном шве и ЗТВ, заключающиеся для низколегированных сталей в распаде закалочных структур, что в конечном итоге приводит к заметному снижению твердости и повышению пластичности металла. Высокому отпуску обычно подвергают сварные соединения труб из сталей перлитного класса.

При проведении высокого отпуска большое значение имеет точность соблюдения регламентируемого режима термообработки. Отклонение от заданного режима может привести к существенному ухудшению механических и специальных свойств сварного соединения.

Нормализация. Сварное соединение нагревают до температуры на 20−30°С выше температуры критической точки A_C3, выдерживают в течение непродолжительного времени и охлаждают на спокойном воздухе. Цель нормализации — получить однородную мелкозернистую структуру металла и улучшить механические свойства сварного соединения, а также снизить уровень сварочных напряжений. Нормализации чаще всего подвергают сварные соединения тонкостенных труб малого диаметра из низколегированных сталей перлитного класса, сваренные газовой сваркой, которые в исходном состоянии (после сварки) имеют крупнозернистую структуру с пониженными пластическими свойствами.

Термический отдых. Сварное соединение нагревают до 250−300°С и затем выдерживают в течение нескольких часов. При термическом отдыхе уменьшается содержание водорода в сварных соединениях, а также несколько снижается уровень сварочных напряжений. Отдых обычно назначают для сварных соединений толстостенных конструкций, для которых трудно выполнить термообработку по режиму высокого отпуска.

Аустенизация. Сварное соединение нагревают примерно до 1080−1130°С, выдерживают в течение 1−2 ч и охлаждают на воздухе. В результате аустенизации удается получить однородную структуру аустенита, улучшить механические свойства стали и снизить уровень сварочных напряжений. Аустенизации подвергают сварные соединения трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т и др. Аустенизация способствует снижению сварочных напряжений на 70−80% и повышению пластичности металла.

Стабилизирующий отжиг. Сварное соединение нагревают до 850−870°С, выдерживают в течение 2−3 ч и охлаждают на воздухе. Такая термообработка приводит к снижению сварочных напряжений на 70−80% и обеспечивает стабильную структуру, хорошо противодействующую возникновению межкристаллитной коррозии. Стабилизирующий отжиг применяют для сварных соединений трубопроводов из высоколегированных сталей аустенитного класса марок 08Х18Н10Т и т. п.

При восстановительной термообработке паропроводов ТЭС из стали 12Х1МФ применяют термообработку по режиму улучшения (нормализация с последующим высоким отпуском) для восстановления структуры и свойств металла, изменившихся в процессе длительной эксплуатации и сварки.

Отжиг для сварных соединений труб и трубных элементов из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при диаметре труб до 325 мм, с толщиной стенки до 8 мм. Нагрев до 920−960 ?C за 5−15 мин. выдержка 15 мин., охлаждение под слоем изоляции до 700 °C, далее на спокойном воздухе. Отжиг проводится для получения однородной структуры шва и зоны термического влияния.

Кроме критических точек A_Cl и А_Сз, на рис. 1 следует отметить точку Ас₂ (точка Кюри магнитных превращений), равную 768 °C. При достижении этой температуры в металле значительно ослабевают магнитные свойства. Для продолжения нагрева индукционными методами выше 768 °C необходимо прилагать большую электрическую мощность.

Отклонения от режимов имеют большее влияние на качество термообработки. Для сварных соединений из низколегированных сталей скорость нагрева при термической обработке оказывает значительное влияние на работоспособность сварного соединения. Высокая скорость подъема температуры из-за неравномерного прогрева трубы по толщине стенки приводит к появлению значительных температурных (временных) напряжений. Это считается опасным в начальной стадии нагрева в диапазоне температур 20−550°С и особенно в интервале 20−300°С, когда металл находится в упругопластичном состоянии. Оптимальная скорость нагрева в диапазоне температур 100−400°С/ч (и выше при нагреве сварных соединений тонкостенных труб) зависит от способа нагрева и толщины стенки термообрабатываемого узла. При более высоких температурах, т. е. при 550−750°С (до температуры высокого отпуска), скорость нагрева может быть любой, но не менее 100°С/ч. В этом случае более медленный нагрев считается нежелательным, поскольку он способствует появлению трещин в сварных соединениях из хромомолибденованадиевых сталей, обусловленных структурными изменениями в сварном шве и зоне термического влияния.

Требует точного соблюдения и регламентированное время выдержки. Сокращение его не позволяет снизить сварочные напряжения до минимальных, а увеличение выдержки способствует разупрочненнию металла. Особенно опасно уменьшение длительности выдержки для сварных соединений из закаливающихся сталей марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф и др., которым необходимо значительное время для прохождения процесса распада закалочных структур, полученных при сварке.

Характер охлаждения сварных соединений после окончания выдержки также оказывает заметное влияние на качество термической обработки, особенно для низколегированных сталей композиции ХМФ (12Х1МФ и др.), у которых в процессе замедленного охлаждения продолжаются структурные изменения, приводящие к снижению твердости. Повышение скорости охлаждения свыше 300−400°С может привести к возникновению значительных температурных (временных) напряжений (особенно у толстостенных сварных соединений), которые, складываясь со сварочными напряжениями, оставшимися после термической обработки, могут привести к трещинообразованию.

Последние годы для сварных соединений сталей перлитного класса обычно допускают охлаждение под слоем теплоизоляции без контроля температуры (практика показала, что при этом скорость охлаждения не превышает 400°С/ч).

1.3 Методы нагрева

При проведении местной термообработки сварных соединении технологических трубопроводов и оборудования применяют следующие способы нагрева:

радиационный (электронагревателями сопротивления и газопламенным нагревом);

индукционный (токами промышленной частоты 50 Гц и средней частоты 1000−8000 Гц);

комбинированный;

термохимический.

При выборе способа нагрева следует учитывать необходимость получения возможно минимального перепада температуры по толщине стенки трубы или корпусной конструкции, а также обеспечения равномерности нагрева по всей длине сварного соединения.

Сущность радиационного способа нагрева заключается в передаче теплоты излучением от источника нагрева к нагреваемому изделию через теплоноситель, которым является нагретый воздух.

В электронагревателях сопротивления теплота выделяется в нагревательном элементе (лента или проволока с высоким электросопротивлением) в момент прохождения по нему электрического тока. Небольшой расход электроэнергии (в цепи нагревателя практически отсутствует реактивная мощность), возможность дистанционного управления и автоматизации процесса термообработки, проведения группового нагрева (одновременно нескольких сварных соединений труб от одного источника питания) и нагрева сварных соединений до температуры нормализации или аустенизации (более 900? С) являются преимуществами этого способа нагрева.

К недостаткам необходимо отнести неравномерность нагрева трубы или корпусной конструкции как по толщине стенки, так и по периметру (окружности) сварного соединения. Перепад температуры по толщине стенки обычно составляет 1°С/мм этой толщины. Разница температуры по периметру нагреваемого вертикального сварного соединения может достигать 100 °C. Снижение перепада температуры по толщине стенки и равномерность нагрева по периметру сварного соединения осуществляют при помощи специальных технологических приемов.

Газопламенный нагрев заключается в подводе теплоты, выделяющейся при сгорании газовой смеси, к внешней стороне трубы или корпусной конструкции (рис. 2, б).

В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан-бутановую смесь, природный газ, к которым добавляют кислород или воздух. Места обработки трубопроводов нагревают однопламенными универсальными ацетилено-кислородными горелками или кольцевыми многопламенными горелками. Основным достоинством способа является маневренность, т. е. возможность термообработки труднодоступных сварных соединений, а также проведение ТО при отсутствии электроэнергии. Однако присущие способу существенные недостатки препятствуют его широкому применению. Односторонний подвод теплоты с внешней стороны трубы может вызвать значительный перепад температуры по толщине стенки, превышающий 1°С/мм толщины стенки трубы. К недостаткам относится также соприкосновение газового пламени с трубой, что приводит к окислению ее поверхности (сгоранию поверхностного слоя металла). Процесс газопламенной термообработки трудно поддается автоматизации и дистанционному Управлению. Кроме того, он характеризуется повышенной опасностью выполнения работ.

Рис. 2. Схема нагрева сварных соединений при местной термообработке: электронагревателем сопротивления (а); газопламенным нагревом (б); индукционным способом

При объемной термообработке корпусных конструкций используют главным образом газопламенный нагрев от специально разработанного для этих целей передвижного оборудования, которое легко может быть перемещено от одного объекта термической обработки к другому.

Индукционный способ заключается в нагреве сварного соединения электрическим током, индуцируемым в металле переменным электромагнитным полем (рис. 2, в). Перепад температуры по толщине стенки незначителен, так как теплота образуется непосредственно в самом металле. Достоинствами индукционного способа являются также простота управления процессом нагрева, возможность применения дистанционного ручного или автоматического регулирования процесса ТО, проведения групповой термообработки. К недостаткам можно отнести громоздкость электрооборудования, возникновение переменных электромагнитных полей, затрудняющих проведение контроля температуры.

Нагрев токами частотой 50 Гц целесообразно применять для термообработки по режиму высокого отпуска сварных соединений труб с большой толщиной стенки (более 40 мм). Однако при этом, как правило, применяют электрический ток до 1400 А, что требует использования медных электрических проводов и индукторов большого сечения (до 240 мм²). Такой способ нагрева характеризуется высоким расходом электроэнергии (в связи с малым коэффициентом мощности: 0,25−0,3) и большой трудоемкостью работ.

Нагрев токами средней частоты проводят на небольшом токе (100−300 А), благодаря чему можно применять медные провода и индукторы небольшого сечения. К преимуществу этого способа необходимо отнести также высокий коэффициент мощности (0,9−1). Все это делает такой способ нагрева экономичным, позволяет использовать установки небольшой мощности, уменьшить трудоемкость операций.

При комбинированном нагреве применяют электронагреватели комбинированного действия, в которых используют способы нагрева электрическим сопротивлением и нагревом индукционным током частотой 50 Гц. При этом нагрев осуществляется главным образом за счет первого способа, поэтому индукционная составляющая оказывает меньшее тепловое воздействие. Электронагреватели комбинированного действия просты в изготовлении, каждый их типоразмер можно применять для нескольких диаметров труб. Достоинствами комбинированного способа нагрева являются также простота управления процессом нагрева возможность применения дистанционного ручного или автоматического регулирования процесса нагрева, проведения групповой термообработки.

При термохимическом способе нагрева теплота, необходимая для термообработки, образуется при сгорании пакетов из экзотермических смесей, устанавливаемых на сварное соединение. Эти смеси, в состав которых входят оксиды алюминия, соединения серы и фосфора, дают при сгорании большое количество теплоты. Основные преимущества термохимического способа нагрева — возможность проведения термообработки без применения электроэнергии и горючих газов, а также простота процесса. Однако этот способ имеет значительные недостатки: невозможность проведения контроля температуры нагрева и применения ручного или автоматического регулирования процесса нагрева, значительный перепад температуры по толщине стенки трубы.

Полную термическую обработку отдельных сварных узлов трубопроводов выполняют в стационарных термических печах или индукционным нагревом с помощью перемещающихся индукторов.

2. Оборудование используемое при термообработке

2.1 Нагревательные устройства

Для термической обработки сварных соединений технологических трубопроводов и оборудования, а также для подогрева при сварке используют разнообразные нагревательные устройства: электронагреватели сопротивления, индукционные электронагреватели, электронагреватели комбинированного действия, газопламенные нагреватели, устройства для термохимического нагрева (табл.1)

Таблица 1. Характеристики нагревателей

Нагревательные устройства должны иметь небольшую массу, высокие КПД и коэффициент мощности (для электронагревателей), легко устанавливаться на обрабатываемом изделии, обеспечивать равномерность нагрева по периметру обрабатываемого изделия, допустимый перепад температуры по толщине стенки и т. п.

Электронагреватели сопротивления относятся к радиационным нагревателям, в которых электрическая энергия превращается в теплоту в твердом теле (нихромовой спирали), непосредственно включенном в электрическую цепь. При нагреве до 200 °C основным видом передачи теплоты является конвекция. В пределах 200−1200°С теплота передается главным образом излучением (радиацией).

Применяют различные типы электронагревателей сопротивления: гибкие, жесткие, с керамической изоляцией, в металлической оплетке, в виде ковриков, муфеля и панели.

Рис. 3. Гибкий пальцевый электронагреватель ГЭН: 1 контактная втулка; 2 — винт; 3 — 6 — керамические нагревательные изоляторы соответственно ИКН-702; ИКН-202; ИКН-402 и ИКН-302; 7 — ограничитель; 8 — нагревательный элемент; 9 — скоба; 10 — поясок для крепления электронагревателя на трубе.

В монтажных, полевых и ремонтных условиях широкое использование получили гибкие пальцевые электронагреватели сопротивления ГЭН, состоящие из двойной плоской спирали (нихромовая проволока диаметром 3,6 мм), каждый виток (палец) которой защищен керамическими изоляторами серии ИКН. К преимуществам ГЭН следует отнести большую удельную мощность (45−50 кВт на 1 м² поверхности), возможность использования в качестве источников питания сварочного оборудования (преимущественно трансформаторов), простоту в эксплуатации, высокий коэффициент мощности (cosц = 1), простоту применения при нагреве плоских конструкции. Максимальная температура нагрева 1000 °C, ресурс не менее 250 ч. Недостатки — трудность термообработки труб диаметром менее 100 мм, необходимость использования нескольких типоразмеров ГЭН для сварных соединений труб. Для термообработки сварных соединений труб диаметром более 325 мм следует применять несколько (две или более) параллельно соединяемых секций ГЭН.

Для ТО сварных соединений из труб диаметром 57−1020 мм в полевых условиях используют муфельные нагреватели сопротивления типа ПТО (Львовский механический завод). В металлическом кожухе этого устройства размещен нагревательный элемент в виде змеевика из нихромовой полосы. Под крышкой нагревателя расположена легкая сменная теплоизоляция. Рабочий ток нагревателей 90−1600 А, масса 16−176 кг.

Рис. 4. Муфельный нагреватель сопротивления ПТО-421

В зарубежной практике широкое распространение получили электронагреватели сопротивления: оплетенные и поверхностные. Оплетенный электронагреватель представляет собой змеевик из нихромовои проволоки диаметром 0,5−0,6 мм, покрытый стекловатой. Внешнее покрытие электронагревателей выполнено в виде оплетки из тонкой нихромовои проволоки. Электронагреватели обеспечивают большую зону нагрева при небольшой удельной мощности (2−3 Вт/см²). Максимальная температура нагрева 1050 °C, ресурс не менее 100 ч. Последние годы в России выпускают аналогичные электронагреватели ОГМО-1,6 и ОГМО-3,2 (мощность соответственно 1,6 и 3,2 кВт).

Гибкий поверхностный электронагреватель выполнен в виде плоского мата, в котором нагревательным элементом служит змеевик из нихромовой проволоки диаметром 0,5−0,6 мм, покрытой плоскими керамическими изоляторами. Эти электронагреватели, аналогично оплетенным, обеспечивают большую зону нагрева при небольшой удельной мощности (3−4 Вт/см²). Максимальная температура нагрева 1050 °C при ресурсе не менее 100 ч. В России выпускают аналогичные плоские электронагреватели типа ГРЭН с удельной мощностью до 7−8 Вт/см². Кроме того, ООО «Ремонтные технологии» (Волгоград) выпускает гибкие нагревательные коврики и ленты.

Рис 5. Нагревательные коврики сопротивления Изготовленные из термостойких материалов керамические нагревательные коврики способны работать при температуре до 1050⁰С и могут запитываться как от термообрабатывающих центров, так и от сварочных трансформаторов. Многожильный элемент (19 жил) из нихромовой проволоки электрически изолирован нанизанными и соединенными между собой бусинами из глинозема, обеспечивающими высокую теплопроводность ковриков и надежную электробезопасность. Холодные концы выполнены из многожильной никелевой проволоки с низким сопротивлением. Все нагреватели укомплектованы парой ответных разъемов для подключения к Вашей аппаратуре. Изоляторы разъемов выполнены из специального эпоксидного стекломатериала, выдерживающего температуру до 260⁰С. Типоразмеры нагревателей зависят от напряжения на которые они рассчитаны. Исторически в разных странах применялись разные стандарты безопасности рабочего напряжения (например, в Англии и США 40 и 80 В, во Франции 30 и 70 В, в Германии 30 и 60В), это породило различие выходного напряжения установок выпущенных разными производителями в разных странах.

В Японии разработаны плоские электронагреватели инфракрасного излучения марки «Инфра-Н» для термообработки толстостенных сварных соединений технологического корпусного оборудования (сосудов давления). При этом способе нагрев производится инфракрасным излучением, характеризующимся большой проникающей способностью в глубину нагреваемого металла, что способствует уменьшению перепада температуры по толщине стенки конструкции.

Инфракрасные электронагреватели собраны из специальных пластин, которые со стороны, обращенной к нагревательному сварному соединению, покрыты металлическим окисным соединением с высокой излучающей способностью (коэффициент 0,9). Максимальная температура нагрева 1000 °C, рабочее напряжение до 200 В. Аналогичные электронагреватели также выпускают в настоящее время в России.

Рис. 6. Электрический инфракрасный панельный нагреватель Газовые инфракрасные нагреватели являются эффективным и экономичным решением для осуществления подогрева. Будучи простым в установке и универсальным в использовании, нагреватели нашли широкое применение во всех областях промышленности по всему миру. Нагреватели можно использовать для подогрева вертикальных, горизонтальных или кольцевых швов больших вращающихся резервуаров вплоть до 300? С. Используемый газ: природный газ, бутан или пропан. Рабочая температура на поверхности нагревателя составит 800−1000? С. Сжиженный нефтяной газ под давление 1,38 бар или природный газ под давлением от 0,4 до 0,69 бар, смешивается с воздухом и сжигается на внешней поверхности нагревателя, выполненной из керамического волокна, обеспечивая высокоэффективный нагрев. Газ поддается в присоединенные нагреватели либо из коллектора с ручным регулятором (2 канала по 4 нагревателя), либо из модульного блока автоматического управления «Gasmatic», (4 канала по 4 нагревателя). Поджиг осуществляется с помощью открытого пламени или пьезоэлектрическим устройством, поставляемым по дополнительному требованию.

Рис. 7. Газовый инфракрасный нагреватель Следует отметить, что и электронагреватели сопротивления, и электронагреватели комбинированного действия обладают большой тепловой инерционностью, т. е. при нагреве достигают максимальной тепловой мощности через 2−3 мин после включения тока, а при охлаждении после выключения тока начинают остывать также через 2−3 мин. Чем больше мощность электронагревателя, тем выше его инерционность. Это необходимо учитывать при регулировке силы тока.

Индукционные электронагреватели представляют собой соленоиды, обычно выполненные из меди. Индукторы устанавливают (чаще наматывают) на сварные соединения, предварительно покрытые теплоизоляцией.

Известны несколько типов индукторов: гибкие, жесткие, с изоляцией и без нее, с воздушным и водяным охлаждением и т. п. В практике обычно используют воздухоохлаждаемые гибкие индукторы из оголенного медного провода типов М, МГ, МГЭ.

Рис. 8. Индукционный электронагреватель установленный на сварное соединение

1 — медный провод, 2 — термообрабатываемое сварное соединение, теплоизоляция Гибкие индукторы из оголенного медного провода, работающие на электрическом токе промышленной частоты 50 Гц, имеют сечение 180−240 мм². Их наматывают на сварное соединение, как правило, в один слой с 6−12 витками с зазорами между ними 15−20 мм. Они работают на силе тока до 1200−1400 А. Аналогичные индукторы, работающие на электрическом токе средней частоты 1000−8000 Гц, имеют сечение 35−70 мм², их наматывают на трубу в один слой с 6−20 витками с зазором 15−20 мм. Работают на силе тока до 250 А. Для всех индукторов необходима предварительная намотка на трубу теплоизоляционного слоя толщиной не менее 20 мм.

Более продолжительный срок эксплуатации (100−150 циклов нагрева) имеют гибкие водоохлаждаемые индукторы, состоящие из нержавеющей или латунной гофрированной гибкой трубки, на внешней поверхности которой расположен в виде оплетки многожильный медный кабель. Наружная поверхность медной оплетки покрыта гибкой асбестовой оболочкой (применяется также стеклотканевая теплоизоляция и термостойкая резина). Охлаждающая вода циркулирует внутри гибкой трубки.

Водоохлаждаемые индукторы наматывают на трубу, также предварительно покрытую теплоизоляцией толщиной 15 — 20 мм. Витки индукторов можно наматывать вплотную друг к другу (без зазоров). Эти индукторы работают на силе тока до 1200 А. В России индукторы такого типа — ВГИК — выпускают в ООО «Унитех» .

К преимуществам водоохлаждаемых индукторов следует отнести возможность использования большой плотности тона 15−20 А/мм² (у воздухоохлаждаемых индукторов плотность тока не превышает 5−6 А/мм²). Кроме того, эти индукторы обладают высокой технологичностью, что позволяет в процессе термообработки при временном отключении источника питания изменять число и расположение витков индуктора.

Недостаток водоохлаждаемых индукторов — необходимость применения воды, что затруднительно в монтажных условиях, особенно в зимнее время.

Жесткие разъемные индукторы (медные и алюминиевые) в настоящее время используют редко в связи с их сложной конструкцией и недостаточной эксплуатационной надежностью (жесткие медные индукторы применяют в настоящее время в отдельных случаях при восстановительной термообработке).

Последние годы началось производственное использование электронагревателей комбинированного действия, наиболее известными из которых являются электронагреватели КЭН.

Принцип работы электронагревателей комбинированного действия заключается в использовании нагрева способом сопротивления в сочетании со способом индукционного нагрева токами частотой 50 Гц, причем основным по эффективности является нагрев способом сопротивления.

Электронагреватели КЭН изготавливают в виде индуктора, состоящего из нихромовой проволоки диаметром 3,6 мм, на которую надеты керамические изоляторы серии ИКН. В России разработаны четыре типа электронагревателей КЭН. (табл.2)

Таблица 2. Характеристики электронагревателей КЭН

Электронагреватели КЭН просты в изготовлении, легко поддаются ремонту, универсальны (четыре типоразмера КЭН обеспечивают проведение термообработки всего диапазона диаметров труб), обеспечивают более высокое качество термообработки, чем электронагреватели сопротивления, их легко обслуживать.

Рис. 9. Электронагреватель комбинированного действия КЭН-3

Существует несколько других разновидностей электронагревателей комбинированного действия, которые в той или иной степени являются аналогами электронагревателей КЭН.

Электронагреватели комбинированного действия применяют и в других странах (Германии, Франции и др.), однако только для сварных соединений труб малого диаметра (до 150 мм). В основном для этого используют оплетенные электронагреватели, с которых предварительно снимают скрепляющие хомутики. Электронагреватель принимает вид нагревательного провода (аналогично КЭН-1).

Для ТО сварных соединений труб небольших диаметров, а также для подогрева при сварке технологических трубопроводов и оборудования используют различные устройства газопламенного нагрева. Для смешивания горючего газа с воздухом (или кислородом), подачи полученной газовой смеси к выходным отверстиям и сгорания этой смеси в виде устойчивого факела предназначена газопламенная горелка.

В кольцевой многопламенной горелке кольцевой факел пламени образуется из большого числа язычков, равномерно расположенных по кольцу в несколько рядов.

Газовое пламя нагревает поверхность металла посредством вынужденного конвективного и лучистого теплообмена. В монтажных, полевых и ремонтных условиях можно применять только такие газопламенные горелки, которые обеспечивают местный нагрев при подводе теплоты с наружной стороны трубы. Сквозной прогрев сварного соединения обеспечивается теплопроводностью металла.

В зависимости от размеров термообрабатываемых конструкций используют одноплеменные универсальные ацетилено-кислородные горелки, кольцевые многопламенные горелки и нагревательные газопламенные устройства, входящие в состав установок для объемной (полной) термообработки корпусного технологического оборудования.

Для подогрева под сварку (предварительного и сопутствующего) и термообработки сварных соединений трубопроводов служат универсальные ацетилено-кислородные горелки средней и большой мощности.

Кольцевые многопламенные горелки имеют стальной корпус, внутри которого в 4−5 рядов расположены мундштуки Корпус состоит из двух половин, соединенных по образующей. К каждой половине корпуса приварена газопроводящая труба, на входном конце которой установлено эжекторное устройство. Через это устройство засасывается воздух при прохождении горючего газа (пропан-бутана или природного газа).

Кольцевые многопламенные горелки получили применение при отжиге сварных соединений труб и фасонных деталей диаметром до 325 мм с толщиной стенки до 8 мм при монтаже чугунных трубопроводов тепло-, газо — и нефтеснабжения давлением до 3 МПа и температуре до 250 °C.

Переносные кольцевые горелки аналогичной конструкции применяют в полевых условиях для подогрева при сварке магистральных газопроводов диаметром до 1420 мм.

В установках для объемной (полной) термообработки с использованием газопламенного нагрева шаровых резервуаров объемом до 2000 м³ (диаметром до 16 м) применяют мощные факельные горелки, обычно работающие на природном газе и пропане. Кроме того, могут быть использованы теплогенераторы, внутри которых происходит сгорание смеси природного газа с воздухом с последующей подачей полученного теплоносителя в термообрабатываемый сосуд давления. Газопламенный нагрев применяется также для объемной термообработки цилиндрического корпусного оборудования.

Устройства для термохимического нагрева выпускают в виде гибких пластин (ковриков), гибких шнуров и жестких муфелей, выполненных строго по диаметру трубы. Учитывая недостатки это го способа нагрева, в частности, трудности при измерении и регистрации температуры, применение этого вида нагрева для ТО сварных соединений подведомственных Госгортехнадзору трубопроводов не рекомендуется. В отдельных случаях на территории бывшего СССР (в частности, при строительстве нефтеперерабатывающего завода в Беларуси) этот способ был использован иностранной фирмой-поставщиком для термообработки сварных соединений технологических трубопроводов из стали 15Х5М, поставленных этой фирмой.

2.2 Измерение температуры

Контроль температуры и качества термообработки сварных соединений является важной технологической операцией, от которой во многом зависит эксплуатационная надежность трубопроводов и сосудов, работающих под давлением. К технологии измерения температуры при термообработке относятся подготовке к работе и установка термоэлектрических преобразователей, приборов контроля температуры и соединение их между собой, методика измерения температуры различными приборами и правила работы с ними.

Действие термопар основано на свойстве металлов и сплавов, создавать термоэлектродвижущую силу (термоЭДС), зависящую от температуры места соединения (спая) двух разных проводников. ТермоЭДС возникает при соприкосновении одинаково нагретых концов двух проводников — термоэлектродов. Эта пара термоэлектродов и называется термопарой. При этом между свободными (не соединёнными) концами термопары возникает некоторая разность потенциалов. С повышением температуры проводников она увеличивается.

Термопары изготавливаются из разных видов материалов, и зависит это главным образом от диапазона измеряемой температуры. Для местной термообработки диапазон температур 20 — 1300 град. С, поэтому в подавляющем большинстве случаев используются термопары хромель-алюмель тип К (ХА).

Длина преобразователей должна быть не менее 0,7−0,1 м. Концы термоэлектродов с одной стороны плотно скручивают между собой так, чтобы образовалось 1,5−2 витка. Горячий спай можно выполнить ацетилено-кислородной, ручной аргонодуговой сваркой либо дуговой сваркой на графитовой пластинке или графитовом порошке. Для нормальной работы термопары достаточно сплавить между собой торцы термоэлектродов. Противоположные концы термоэлектродов называют холодным спаем, присоединяют к измерительному прибору. По всей длине, кроме места горячего спая, термоэлектроды должны быть изолированы один от другого.

Преобразователи, поступающие непосредственно с заводов-изготовителей, имеют горячий спай со скрученными термоэлектродами длиной до 50 мм. Применять такие горячие спаи нельзя, так как это может привести к значительному искажению при измерении температуры. Их необходимо переделать по вышеизложенной методике. Следует отметить, что в процессе проведения термообработки термоэлектроды горячего спая постепенно пережигаются. Поэтому после проведения одного-двух циклов термообработки спай необходимо переделывать заново, предварительно удалив старый. После сварки горячего спая термоэлектроды изолируют друг от друга керамическими бусами или надевают на них хлорвиниловую трубку. Кроме того, на длине 250−300 мм от горячего спая каждый термоэлектрод отдельно, а потом оба вместе покрывают асбестовой оплеткой (обычно ее наматывают нитками от асбестового полотна).

Для крепления горячего спая преобразователей можно использовать несколько способов: бобышку с прорезью, Л-образную бобышку из пластины, гайку с болтом. Бобышки приваривают к тщательно зачищенному месту трубы, устанавливают горячий спай в прорезь и легкими ударами молотка расплющивают бобышки так, чтобы обеспечить хороший контакт между спаем и трубой. Гайку прихватывают к трубе, и горячий спай устанавливают в прорезь, сделанную в гайке, после чего спай надежно прижимают болтом к трубе. Допускается приварка горячего спая термопар с использованием аргонодуговой сварки.

Рис. 10. Схемы крепления горячего спая термоэлектрического преобразователя к сварному соединению (1 — термоэлектроды; 2 — горящий спай): а — с бобышкой с прорезью; б — Л-образной бобышкой; в — гайкой с болтом.

Все вышеописанные способы крепления термопар используются практический во всех отечественных установках для термообработки. Специалисты немецкой фирмы «Weldotherm» разработали другой метод. В зарубежных программных установках термопары представляют собой два термоэлектрода диаметром 0,5 мм, которые приваривают к сварному соединению с помощью контактной сварки специальным разрядным устройством. Расстояние между приваренными термоэлектродами должно быть минимально возможным (не более 10 мм). В этом случае горячим спаем является метал сварного соединения, находящейся между приваренными термоэлектродами.

Рис. 11. Схема крепления термопар с помощью прибора для приварки MICRO-14

Эти машинки обладают массой преимуществ:

— Быстрое и надежное соединение термопар 0 0,5 и 1 мм;

— Очень точные результаты измерения благодаря крепкому соединению термопары с рабочей деталью;

— Управление одной рукой благодаря системе автоматического запуска, которое включает прибор через 4 сек. после соединения термопары с рабочей деталью;

— Максимальная глубина погружения <0,2 мм;

— Максимальное проникновение тепла < 0,1 мм;

— Автоматическая перезарядка конденсатора, пока зажим в контакте с деталью;

— Мощная аккумуляторная батарея, заряд которой рассчитан на 2000 процессов

— Короткое время восстановления электронной схемы, 10 сек. после высокой нагрузки;

— Встроенное устройство для ограничения силы тока, необходимое, когда устройство подключается к сети;

— Переключение для термопар диаметром 0,5 и 1 мм;

— Визуальный контроль за работой посредством встроенных светодиодов;

— Прибор автоматически выключается, если его не использовать в течение 3 мин.

3. Описание установки

3.1 Описание

Установка для термообработки модели «KSCT — 12» была изготовлена в 1971 году Японской фирмой «Kokusai electric СО» (г. Токио) и предназначена:

— для термообработки сварных стыков труб большого диаметра, сварных соединений расположенных на изделиях и конструкциях произвольных форм и размеров, объемной термообработки (трубопроводов, емкостей, сосудов давления, колонн и других изделий) с использованием панельных инфракрасных электронагревателей переменного тока частотой 50 Hz;

— для предварительного и сопутствующего подогрева сварных стыков по заданной программе;

— установка с суммарной мощностью 2400 кВт состоит из двух шкафов управления, восьми трансформаторов и панельных электронагревателей.

Таблица 3. Технические характеристики

3.2 Задачи модернизации

Установка модели «KSCT — 12» с 1971 года работает на предприятии ОАО «Дзержинскхиммаш» (Нижегородская область) в цехе по изготовлению емкостного и колонного оборудования и до недавнего времени покрывала все потребности предприятия в термообработке. В 2006 году предприятие вошло в состав холдинга «Генерация» (Свердловская обл.), где предприятию досталась роль обеспечения холдинга крупнотоннажными изделиями и принята 5 летняя программа модернизации предприятия.

Одним из основных этапов является покупка нового или имеющегося оборудования для термообработки. Основными требованиями являются:

— возможность нагрева изделии во время режима термообработки до температуры 900 С;

— возможность проведения термической обработки изделий диаметром до 8000 мм;

— возможность управления установкой с диспетчерского пункта с помощью персонального компьютера;

— бесконтактное управление силовыми цепями;

— возможность использования термопреобразователей различного типа;

— возможность регистрации режима термообработки на бумажном носителе разными цветами и персональном компьютере;

— скорость нагрева и охлаждения должна программируется с шагом 1 єС. На некоторые редко используемые марки стали необходимо нагревать (охлаждать) со скоростью 120 или 138, что не возможно проделать на старой установке;

— возможность хранения рабочих программ процесса термообработки;

3.3 Тепловой расчет термообработки сосудов диаметром от 5000 мм до 8000 мм, длиной до 3000 мм

Возможность увеличения диаметра обрабатываемых изделий докажем расчетами тепловой мощности.

Габариты коксовой камеры

Ш=5000 мм. L=3000 мм. д=50 мм.

m изделия = 18,5 тн. S поверх. = 58 м.

?Т?С/час — скорость нагрева не более 100? С/час

Q нагр. — мощность необходима для нагрева изделия. m (кг). ?Т?С/час.

Qтепл. — отдача тепла через теплоизоляцию.

Q = Qнагр. +Qтепл. (1)

Q нагр. = m (кг) х ?С (кДж/кг?С) х ?Т?С/час (кВт) (2)

3600 сек.

Qтепл. = Т?Сmax х S (м) х л (вт/?С х m), (3)

b (м)

где b — толщина теплоизоляции (м) = 50 мм = 0,05 м;

л — теплопроводность изоляции (МПБ) = 0,11вт/?С х m;

C — удельная теплоемкость железа = 0,48 (кДж/кг?С).

Нагрев до 660? С.

Q нагр. = 18 500 кг х 0,48кдж/к?С х 100?С/час= 247 кВт

3600 сек.

Qтепл.6_{60 С} = 660?С х 58 м х 0,11 Вт/С? х m =84 кВт

0,05 м

Q_{660 С} = 247 кВт+84 кВт = 331 кВт

Нагрев до 930? С

Qтепл.9_30?С = 930?С х 58 м х 0,11 Вт/ С? х m =119кВт

0,05 м

Q_930?С = 247 кВт+119 кВт = 366 кВт

Габариты коксовой камеры:

Ш=8000 мм, L=3000 мм, д=50 мм, S поверх. = = 170 м, m=53т.

Рассчитываем по? Т?С/час скорость нагрева не более 100? С/час

Нагрев до 660? С.

Q нагр. = 53 000 кг х 0,48кдж/к?С х 100?С/час= 707 кВт

3600 сек.

Qтепл.6_{60 С} = 660?С х 170 м х 0,11 Вт/С? х m =246 кВт

0,05 м

Q₆₆₀c= 707кВт + 246кВт = 953кВт

Qтепл.9_30?С = 930 C x 170 м x 0.11Вт/°Схм = 347кВт

0,05 м

Q _930?С = 707кВт + 347кВт = 1054 кВт

При использовании матов д = 100 мм. необходимая мощность нагрева:

До 660? С. Ш800мм. L = 3000 мм.

Q = 247 + 42 = 289 кВт

До 660 С. Ш 5000 мм. L = 3000 мм.

Q = 707 + 143 = 850кВт

До930°С. Ш8000мм. L = 3000 мм

Q = 247 + 60 = 307кВт

До 930 С. Ш 5000 мм. L = 3000 мм.

Q = 707 + 174 = 881кВт

На схеме покажем распределение тепловой энергии.

Теплоизоляция

Q₁ — количество теплоты необходимое для нагрева металла

электронагревателями.

Q₂ — количество теплоты уходящее через теплоизоляцию со стороны

электронагревателей.

Q₃ - количество теплоты отводимое с обратной стороны.

Q₄ — тепловой поток отводимый в изделие.

T°C₁ — температура изделия.

Т°С₂ — температура изделия с обратной стороны.

Т°С₃ — температура на расстоянии I₂ и равная — 300 °C.

I₁ — ширина зоны нагрева эл. нагревателями.

I₂ — расстояние от зоны нагрева (эл. нагревателей), где температура Т? С₃ — 300 С.

д₁ = 40 мм. — толщина металла изделия.

д₂ = толщина слоя теплоизоляции.

Рис. 12. Схема распределения тепловой энергии

Расчет тепловой мощности при термообработке сварного соединения на 1 п. м. Теплоизоляция — маты МПБ ширина = 1000 мм. толщина = 50 мм. д₂ = 50 мм.

Физические свойства материалов.

Удельная теплоёмкость железа С = 0,48 кдж/ (кг х°С).

Удельная теплопроводность железа л _FE = 28 — 45вт/ (м х°С)