马燕 张文生 苏强

摘要：针对弯制大口径、厚壁钢管时中频加热系统存在的不足，分析了造成中频加热系统输出功率和加热效率低的原因，重新对加热系统的过电流部件及用电部分进行了合理、更优的结构设计和精确加工，使输出功率得到大大提高，输出效率得到很大改善。

关键词：中频加热系统；输出功率；效率

高压、大口径管道的飞速发展要求管道用钢管向大口径、高钢级、厚壁延展，也要求管道用弯管具有大口径、厚壁的结构特点，大口径、厚壁弯管的热煨制要求中频弯管机组具备大推力、高输出功率和高效率的特点。中频加热输出功率作为弯管机组的加工能力重要指标，其输出功率必须达到一定值时才能满足大口径、厚壁弯管工艺的要求，否则弯制无法进行。有时采用降低速度的方法，以求减小输出功率的需求，这样不仅会导致生产效率极低，主要是直接影响了弯管的力学性能和内在质量。

1 弯制大口径、厚壁钢管时出现的问题

大口径、厚壁钢管的热煨，由于钢管单位重量大，加热到弯制温度需要的热量大，故而要求需要弯管机组的中频电源有效输出功率达到一定的要求，在大口径弯管机进行整体加热、隔音操作间组装改造后，中频加热系统出现了以下问题：

（1）有效输出功率下降至不足额定输出功率的60%；

（2）经测算中频加热系统的效率不足28%；

（3）当钢管单位重量超过890Kg/m时，60%（710kW）的输出功率不能保证正常煨制工艺的需求。

2 造成中频加热系统输出功率低和加热效率低的原因分析

中频加热系统电流传送路线如下：

中频加热系统包括中频电源、送电水电缆、中频变压器、变压器自身连接板及与线圈之间的连接铜排、加热线圈。中频电源的作用就是把三相50Hz的工业电通过虑波、整流、逆变转换为两相的中频频率输出电源。通过查询相关磁场、电气、电阻等基本原理知识资料及现场检测分析，发现中频电源输出功率上不去、加热效率低的原因包括；（1）中频电源至用电设备传输过程中感抗和漏磁阻抗值大；（2）热煨钢管和加热线圈配套性差；（3）传输通道中的元件及连接面间电阻值大；（4）用电终端能量利用率低。

中频电源输出频率为500～2000Hz的中频频率，输出电路中感抗和漏磁阻抗会阻碍电流向线圈流动，使电路产生电压降，电流和频率越大，产生的磁通损失越多，漏磁阻抗越大，电压降越大，中频电源的输出电压有一个合适值，过低或过高都会影响功率的输出，依靠提高输出电压来提升输出功率的作用会得不偿失，只有减小电流输送系统的磁通漏损和感抗，才能有效提高中频电源的输出功率。通过分析后，我们顺着加热系统线路进行了查询，发现如下问题：两水电缆的距离过大，电缆架设采用了部分磁性材料、隔音操作间的影响、变压器与线圈连接部分结构不合理，如图1所示；线圈与铜排连接板设计不合理。图中1为变压器串连过桥，2、3为变压器与线圈连接输入、输出铜排。图中串连过桥与变压器之间的空隙以及输入、输出铜排之间的间隙、两水电缆之间的空隙在工作中会产生很大的感抗和漏磁阻抗。钢管和加热线圈不配套是指钢管和选用线圈的结构尺寸要求不配套，如线圈冷却量不足（或截面面积小）、线圈与钢管间隙大、线圈宽度不合适、冷却水角度不合适等，都会影响中频输出功率和加热效率。

输出电路的电阻直接影响着整个加热系统的加热效率，电阻越大，电流越高，电路中的发热量越大，系统的加热效率越低。电路电阻包括导体自身电阻和连接部位电阻；大家知道导体的电阻R=ρL/S，即导体电阻和导体的电阻率、截面积、长度有关；由于中频加热系统采用大电流、低电压的方式加热，特别是中频变压器至线圈部分，电流最大可达40000安培，为减小电路电阻在加热系统中全部采用了电阻率小的紫铜，应采用尽可能大的过电流面积；须采用冷却水冷却结构；众所周知，铜的电阻随着温度的升高而升高，因此在系统中必须有足够的冷却水量，以保证电路的温度不致过高，电路电阻产生的热量在合适的要求内。

3 中频加热系统的改进设计

通过以上分析发现：减小系统电路的感抗和漏磁阻抗，减小电路电阻是改进的主要方向。

确定了问题的整改点和有效的改进措施，通过对连接板及线圈结构中频交变磁场漏磁的合理分析、截面过电流面积、截面强度、冷却散热的计算，從最大限度的减少漏磁损失和避免热量损失为前提，重新设计了变压器串联连接板、连接铜排（如图3、图4所示）及线圈整体结构；重新对水电缆进行了排放敷设。并指定了对保证设计效果有利加工方法。

采用先进的线切割技术一次切割和无焊接热压制方法对铜板进行加工，减少对铜排进行组对焊接，保证了铜排截面的小电阻，保证尺寸的精确性和过流面热量过多产生；

对水电缆重新进行了排放敷设：全部采用非导磁性构架，两电缆最大限度紧密排设，重新铺设了电缆；

对新线圈重新进行设计制造，对旧线圈连接部分进行了改造；工作时选用合理的线圈；

安装时保证各个金属接触面的光洁平整和合适的螺母预紧力；保证绝缘的情况下两铜排压紧、间隙尽量小；通过连接板、铜排、线圈的冷却水量应足够、水温应控制在30℃以下；

安装调整完毕后，进行试验，逐步提高加热功率至额定输出功率的80%，在此过程中记录中频电源的输出功率和输出电压、测量加热系统各部分的温度变化；图2为改进后变压器和线圈的连接铜排。

在额定输出功率80%的状态下进行Φ1219×32弯管的加热，此时的输出电压达到安全电压的90%；经计算加热效率达到33%；

在额定输出功率的70%状态下，对Φ1422×33.8进行了长达7小时的煨制，观察加热系统各部件的温度变化及系统的稳定性改进后的中频加热系统，在70%额定输出功率下各电气元件长时间运行平稳，各测温点的检测温度在安全要求范围内；整个加热系统的输出功率提高了15～20%，加热效率提高了5%，解决了大口径、厚壁钢管热弯制时对高输出功率的要求，提高了劳动生产率，减少了电能的损耗，节约了能源。

4 应用效果

弯管机组中频加热系统的改进是在1620机组上进行的，本次改进的经验可以应用在其它弯管机组中频加热系统的改进，也可以直接应用在新的弯管机组中频加热系统或其它用途的感应加热系统，用以提高感应加热系统的输出功率和效率。改进后的系统顺利的保证了西气东输三线西段用Φ1219×33-R6D、西气东输三线西段清管用Φ1219×32-R6D、中亚管线复线用Φ1219×33-R6D热煨弯管生产以及西四线Φ1422×33.8-R6D热煨弯管的试制以及以后对其它大口径、厚壁弯管的弯制。

弯管的热煨弯制是依靠电能加热+水冷却的过程，其使用的电能数量巨大，大口径、厚壁弯管尤为明显，其加热功率均在720kW以上，5%加热效率的提高，每小时便可节约35度以上电能，连续生产时每月可为公司节约超过两万多元的费用。

参考文献：

[1]刘春艳.中频感应加热负载分析.工业加热，1999（5）.