核电蒸发器水室封头内壁堆焊的电磁感应加热工装设计

GXF360 2019-10-27

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0 前言

核电设备制造过程中，蒸发器的水室封头内壁需要堆焊合金层[1]。根据工艺要求，堆焊前需要进行160～200 ℃的预热，焊后还要进行300～350 ℃的消氢处理。水室封头的堆焊时间长达数周，要求加热工艺长期稳定可靠，温度可控，加热成本低。目前压力容器制造工程中的预热和后热消氢通常采用燃气加热和电阻加热的工艺[2]。燃气加热工艺是采用燃气工装依靠火焰燃烧的方法，通过热传导、辐射方式加热封头。其缺点是能量利用效率很低，仅在40%左右，存在安全隐患。电阻加热是将电阻加热片包裹在封头外表面，电阻片发热，通过传导和辐射加热工件。其特点是能量有效利用率只有50%左右，加热速度慢，加热器寿命短[3]。利用电磁感应加热的工艺对大型封头内壁堆焊进行预热和后热，能够满足高效低成本、加热稳定且可控的工艺要求。

电磁加热的原理是在感应线圈中通以中、高频交流电，线圈的周围产生同频率的交变磁场。当交变磁场中存在导磁性工件时，交变磁力线切割工件，在工件表层及内部感应出涡流。在工件电阻的作用下，涡流产生焦耳热，从而起到加热工件的效果。尽管电磁感应加热的能量转变次数较多，但这种加热方式从根本上解决了火焰、电热片、电热圈等通过辐射或热传导方式加热的低效问题[4]，试验证明电磁感应加热的热转率高达92%以上。使用特殊的电缆自身发热量很小，可承受400 ℃以下的高温作业环境。电磁感应加热速度快、温度高，加热均匀，温度控制易于实现自动化。工件的温控精度高(±0.5 ℃)，温度分布均匀[5-10]。

但是，封头的电磁感应加热还存在一些工艺问题。比如感应电缆的缠绕，由于封头外表面呈半球状，且其上设计了多个接管和孔道，感应电缆的缠绕较为复杂且需要耗费大量的人力和时间，给感应电缆的安装带来了极大的不便。此外，封头内壁堆焊一般安放在变位机平台上，感应加热工装不得与封头在变位机上的固定工装相干涉。为了解决这些工程问题，文中设计了一种适合于水室封头电磁感应加热的工装，以简化感应电缆的现场绕制、固定以及提高感应加热的工作效率。

1 加热工装方案设计

由于其外表面为带有多个凸起物或孔道的半球面结构，封头类工件的电磁感应加热器可选择平面感应加热或线圈感应加热两种模式。平面感应加热器是在封头的外侧弧面上布置多个近似于平板的加热线圈，线圈或并联或串联。这种线圈结构有较为严重的电磁泄漏，效率低，不太适宜作为封头的感应加热器使用。线圈感应加热是从封头的顶部沿纬向绕制一个异型螺旋形线圈，直到封头的底部。在这种模式中封头位于线圈的中心，感应加热效率好。此外，水室封头重达十几吨，热容量巨大。综合考虑，设计感应器为包裹封头的异型螺旋线圈结构。

1.1 感应加热工装设计

核电蒸发器水室封头内壁堆焊电磁感应加热工装采用保温层和加热器相结合的方式。首先在封头外壁加挂一定厚度的保温层，该保温层的作用为防止封头热量散失，以及保护电缆工装不被加热的封头造成热损伤。其次在保温层外设置铰链式电缆固定和调节工装。如图1所示，该电磁感应工装包括保温毯、铰链固定和调整工装、感应电缆等。

图1 大型封头内壁堆焊电磁感应加热工装结构图

1.2 加热工装特点

传统感应电缆的固定复杂且凌乱，需要大量的人力和时间进行辅助安装和拆卸，还会造成电缆内应力大或电缆缠绕松弛的问题。该设计结构直观，安装简单，对工人技术的熟练度要求不高。并且在连续加热多个封头工件时，只需拆装感应电缆、铰链与防变形环的连接件就可以使铰链加热工装与加热工件相脱离。然后将其后的待加热封头吊装在铰链加热工装上方，工人直接把铰链与防变形环连接、重新缠绕感应电缆即可以实现加热工装与加热工件的组装，极大地降低了安装时间和成本。

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显效：术后14 d症状完全消失，血肿彻底清除，神经功能缺损评分减少45%以上；有效：症状明显改善，血肿基本清除，神经功能缺损评分减少18%以上；无效：未达到以上标准视为无效。

加热电缆的使用过程中或多或少会存在磨损、挤压、热损伤等问题，降低了电缆的使用寿命。在铰链加热工装中，由于电缆镶嵌在铰链内，无论是电缆的缠绕还是电缆的张紧都减少了电缆在使用过程中的机械损伤问题。铰链使用耐高温高分子材料，拥有强度高、耐高温、防腐蚀、耐磨、抗撞击、变形小等特点，使得铰链加热工装的使用寿命大大延长。

2 加热工装的应用

该设计已经成功地应用于华龙一号蒸发器水室封头内壁堆焊的电磁感应加热工艺中。与传统的电缆固定和安装方式相比，设计安装时所需人工节省50%，所需工时降低至原来的60%；拆除时节省人工50%，所需工时低至原来的40%。在感应加热工装拆除后，保温毯、铰链工装和感应电缆均可保证无机械和热损伤，可多次重复使用，寿命提高了3倍。

式中：Yf(x)和Ycj(x)分别为目标和约束函数的Kriging模型，Y(x)为AL乘子函数的Kriging模型，λ为拉格朗日乘子向量，ρ(ρ>0)为惩罚因子。AL算法包含内外两层循环：外层循环用于控制LA(x;λ,ρ)中λ和ρ参数的调整；内层循环利用Y(x)和EI准则选取新试验点。显然，由于涉及内外两层循环及参数的调整，AL算法计算复杂度较高。