钢管防腐中频感应加热设备循环水冷系统的改进

鲍新愿，张 茜，贾 真，祖之英，魏东锋

（1.新疆鹏远新材料股份有限公司，乌鲁木齐830000；2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古 乌审旗017300；3.山东胜利钢管有限公司，山东 淄博255082）

钢管防腐中频感应加热设备循环水冷系统的改进

鲍新愿1，张 茜2，贾 真2，祖之英1，魏东锋3

（1.新疆鹏远新材料股份有限公司，乌鲁木齐830000；2.长庆油田分公司第三采气厂，内蒙古 乌审旗017300；3.山东胜利钢管有限公司，山东 淄博255082）

对中频感应加热设备循环水冷系统进行了详细介绍，分析了改进前水冷系统的概况和存在的问题。针对原水冷系统存在的问题进行了优化和改造，增加了纯净水制备设备、闭式冷却塔，采用了“双备”和“双泵”设置以及流量保护设置等，并对改进后的中频感应加热设备循环水冷系统进行了实际应用。应用结果表明，改进后的循环水冷系统大大减少了设备故障率，提高了生产效率和产品合格率，达到了预期的效果。

钢管；防腐；中频感应；循环水冷系统

钢管3PE防腐作业过程中，钢管除锈前的预热和钢管3PE涂覆前的加热大多使用中频感应加热设备来实现。一旦中频感应加热设备发生故障，轻则停产维修，重则造成涂层钢管报废。即便是很先进的中频感应加热设备在运行期间都必须做好安全维护。大量的运行实践证明，中频感应加热设备的运行故障90%是由于循环水冷系统问题引起的。将硬度较高的水用在冷却感应加热设备中，会缩短设备的使用寿命达30%～50%。

硬度较高的水中Ca2+和Mg2+会在受热的物体表面结出水垢。水垢会大大降低元器件的传热效率，造成电气元件超温损坏；水的导电性是另一个严重问题，由于感应加热水冷系统水体带电，冷却水高的导电率导致严重的电解和腐蚀，致使管内污物聚集，使得水的流量减少，影响冷却，最终导致电气元件过热烧坏而停产。

本研究对钢管防腐中频感应加热的水冷系统进行了改进，改进后设备运行良好，可靠性高。

1 中频感应加热设备循环水冷系统介绍

中频感应加热设备是一种大功率的电力电子装置，在工作中会产生大量的热量，若不及时散热，会严重影响设备的性能和使用寿命。中频电源、可控硅、平波电抗器、中频补偿电容器、感应线圈、水冷电缆和母排等主要部件都是高电流密度的导电体，在电能传输过程中自身会产生热量，需要用水给予冷却。目前使用中频感应加热设备的部分用户，因对于水冷系统重视不够，未按规定使用纯净水或软化水，造成设备冷却部位结垢，局部温度升高而严重影响电器元件的可靠性和使用寿命。研究和实际应用表明，单个半导体元件温度比正常工作温度每升高10℃，系统的可靠性就会降低50%。感应加热电源在正常工作时，可控硅、电容器等器件会产生大量的热量，如果没有及时冷却或冷却效果差，电气元件的温度会急剧上升而烧坏，电容也会由于过热而造成热击穿短路。因此，中频感应加热设备循环水冷系统的好坏直接关系着设备的运行、成本、寿命及稳定性等。

1.1 中频感应加热设备对水冷系统的要求

1.1.1 对冷却水水质的技术要求

冷却水质要求视觉干净，无色、透明、不浑浊和无沉淀物；冷却水为中性或弱碱性，pH值为6～8，碳酸盐硬度8°DH（德国硬度单位）；导电性最大为600μS/cm，最小为10μS/cm；总溶解固体杂质的质量浓度＜250 mg/m3，氯化物的质量浓度＜20 mg/m3， 硝酸盐的质量浓度＜10 mg/m3，CaCO3的质量浓度＜250 mg/m3；无固体杂质析出温度T＜57℃； 25℃下的电阻率＞2 500 Ω。

1.1.2 对水冷系统的技术要求

冷却水温度为5～35℃；中频电源、中频电容柜和感应加热圈额定进水压力大于 0.3 MPa；进出水应有一定的压力差（0.3～0.4 MPa），保证设备每一个冷却支路的水在一定的流速下流动，还要避免冷却水中存在气泡而影响冷却效果；需加防冻剂时，绝不可加商用防冻剂（如汽车用防冻剂），它会离子化并在一定电压下放电。

1.2 中频感应加热设备水冷系统的注意事项

（1）结垢温度。在碳酸盐硬度为8°DH时，水温50℃时开始产生磷酸盐转变和石灰石沉淀。

（2）水质硬度。水质全硬度、钙硬度和镁硬度的增高，会导致管壁附着量增大，从而会降低铜管的热传导率。当铜管的温度升高时，结垢会加快，会使铜管通水截面减小，降低水流量。

（3）进水温度。进水温度并不是越低越好，进水温度过低会使被冷却元件表面结露，使电气绝缘性能下降。

（4）冷却水纯净度。冷却水也并非越纯越好，纯净蒸馏水不含盐与杂质，其冷却性能不如稍含盐的水，水中CaO的含量大于10 mg/L时（相当于1°DH），冷却效果比纯水好，所以要以软化水为宜。

（5）电阻率。电阻率太低，会导致流经感应线圈、水冷电缆及振荡管阳极内的冷却水流向地线的漏电流变大。

（6）pH值。从防腐蚀作用考虑，pH值高（弱碱性）有益处。当pH值＞7时，CaC03等向冷却水管内的析出量增加，此析出膜有防腐蚀作用；当pH值＞8时，冷却水管会产生铁锈；当pH值＜6时，会对铜管产生腐蚀。

（7）氧消耗量。氧消耗量表示微生物含有量，微生物多时，冷却水管内会滋生藻类，易导致冷却水管堵塞，损坏仪器。当氧消耗量较高时，有必要进行灭菌。

（8）氯离子。氯离子较高时，会引起腐蚀破坏，对铜管进行溶解，对铁管产生锈蚀。

1.3 常用水冷系统的基本类型

中频感应加热设备水冷系统可分为两大类：直流水冷系统和循环水冷系统。

1.3.1 直流水冷系统

直流水冷系统的冷却水使用后直排。同样的冷却效果下，直流水冷系统是循环水冷系统耗水量的40～50倍。由于直流水冷系统用水量大、水的处理量大、处理成本高及可能造成污染等问题，现在已被淘汰。

1.3.2 循环水冷系统

循环水冷系统分为密闭式、敞开式和内回路密闭外回路敞开3种情况。

（1）密闭式循环水冷系统指循环冷却水不与大气直接接触，即采用冷却水通过发热器件进行冷却的方式。温度升高的冷却水的再冷却是通过一定的换热器（如蛇管式、板式、螺旋板式、外管式、套管式等）用其他的冷却介质（如水、空气等）进行冷却。密闭式循环水冷系统的特点是冷却水消耗极小，基本不浓缩。部分3PE防腐的中频感应加热设备内的回路循环系统还在采用这一种形式。

（2）敞开式循环水冷系统的冷却水通过发热器件后成为热水，热水经过冷却塔曝气与大气接触，水的蒸发散热和接触散热使水温降低，冷却后的水再循环使用。敞开式循环水冷系统在循环过程中要消耗一部分水，还要排出一定的浓缩水。敞开式循环水冷系统按带走热量的冷却水与空气接触的方式分为冷却池和冷却塔。冷却池的特点是冷却过程慢、效率低、冷却幅度小、冷却水温差小，需要大的用水量和占地面积、水质受污染严重、水质处理工作量大。冷却池现在基本不采用，只少量用于钢管现场防腐移动式作业线，而在固定防腐厂中，中频感应加热设备外回路循环系统全部采用冷却塔。冷却塔可以人工控制气流来加强空气与水的对流作用，以提高冷却效率。冷却塔具有占地面积小、冷却效果好、冷却幅度大及冷却水温差大的特点。

（3）具有双重循环的水冷系统分为两种形式。一种是内回路为密闭式、外回路为敞开式的水冷系统，换热器为水—水热交换形式。内回路密闭式循环水冷系统通的是软化水或纯净水，进水温度15～55℃，出水温度＜75℃，这对延长电器元件的使用寿命，防止电器元件凝露都有好处。内回路密闭式循环水冷系统具有水量较少、便于进行水质处理、系统可靠性大和运行成本低的特点，对外回路循环水质的要求不高。另一种是采用喷淋蒸发形式的气—水热交换器或空气冷却器形式的气—水热交换器，外回路做为降低水温的一种补充。

2 水冷系统改进前的概况及存在的问题

2.1 改进前的概况

该中频感应加热设备采用内回路密闭式、外回路敞开式的水冷系统。内回路使用市面供应的桶装饮用水密闭循环，而外回路则使用当地自来水。外回路配备板式换热器、二次循环水泵、水池及玻璃钢冷却塔等冷却内回路桶装饮用水。外回路循环冷却水由车间外部设备冷却塔供给，冷却水采用当地自来水。自来水水质数据见表1。

表1 自来水水质参数

设备冷却塔使用一根供水主管同时为设备供应冷却水，并且使用一根回水主管汇集回水。设备冷却塔、水池与钢管涂层冷却塔、水池各自独立，两个冷却塔及水池紧挨并列放置。

2.2 改进前存在的问题

（1）中频感应加热设备中的中频电源、可控硅、电抗器等水冷系统的外回路循环冷却水采用的硬度较高的自来水，板式换热器换热表面及冷却塔表面易结垢，严重影响换热能力。随着热交换器冷却效果的不断降低，内部纯净水的温度不断升高，造成高温报警停车，产生废品管。

（2）反复拆装并用盐酸清洗结垢的板式热交换器，造成换热器换热表面腐蚀穿孔和密封不严，致使外回路自来水进入内回路，使内回路纯净水受到污染，导致中频电源、可控硅、平波电抗器、中频补偿电容器、母排等主要部件加速结垢、堵塞和烧毁。

（3）感应加热线圈、水冷电缆直接使用硬度较高的自来水循环冷却，造成感应线圈铜管内壁结垢，冷却效果降低，严重时会堵塞感应加热圈铜管和水冷电缆，导致水冷失效，烧毁加热线圈和水冷电缆。

（4）结垢和堵塞的感应加热圈，采用盐酸进行浸泡清洗，加速了加热线圈铜管的腐蚀穿孔。使用盐酸进行浸泡清洗不但危害人体健康，产生的废液还会对环境造成污染。

（5）感应加热线圈堵塞严重而无法通开时，需要判断出堵塞的位置，将铜管割开，将堵塞处疏通并将其再焊接上。这样不仅浪费大量的时间，设备的使用性能也会大打折扣。

（6）由于感应加热线圈、水冷电缆结垢和堵塞，冷却水温度急剧上升，造成中频加热线圈内部的胶管和水冷电缆外护胶管老化、爆管，不但会导致紧急停车、产生废管，而且飞溅的冷却水会损坏其他元器件。

（7）设备冷却塔及其水池虽然与钢管涂层冷却塔及其水池是两套相对独立的冷却水系统，但在安装时两个冷却塔及水池紧挨并列放置，生产过程中两种冷却水有不同程度的混合，加之冷却塔和水池长期暴露在车间外，灰尘、杂物进入水池，对设备冷却水造成严重污染，使用此种严重污染的冷却水对设备进行冷却，会加速电器元件、板式换热器、设备及冷却水管路的结垢和堵塞。

（8）设备冷却塔使用一根供水主管同时为多个设备供应冷却水，并且使用一根回水主管汇集设备回水。这种方式极易造成以下问题：各分路支管的压力不平衡，较远的冷却支管压降大；易造成较远的冷却支管进出水压差变小，很难保证设备每一个冷却支路的水在一定的流速下流动，特别在冷却管路存在空气时，较远的冷却支管循环冷却水流速会变慢甚至不流动；中频电源、中频电容和感应加热圈未实现分路供水，较难保证中频电源和中频电容器有低的温升；在中频感应加热设备水冷却系统中未采用“双备”设置，设备在正常运行中遇到突然停水时，感应加热线圈内的高温工件短时难以冷却，容易导致感应加热线圈损坏。

3 水冷系统的改进对策和优化方案

3.1 纯净水的制备

在中频感应加热设备水冷系统中增加纯净水（软化水）制备设备，连续供给闭式冷却塔内、外回路循环水冷系统。纯净水设备工艺流程如图1所示。

图1 纯净水设备工艺流程

纯净水制备采用反渗透纯水工艺，将原水经过精细过滤器、颗粒活性碳过滤器、压缩活性炭过滤器等，再通过泵加压，利用孔径为1/10 000 μm的反渗透膜（RO膜），使较高浓度的水变为低浓度水，同时将工业污染物、重金属、细菌、病毒等大量混入水中的杂质全部隔离，从而得到饮用规定的纯净水。

3.2 使用闭式冷却塔

闭式水循环冷却塔由主机、水箱、循环水泵及电控柜等组成。主机由壳体、换热器（紫铜管）、风机、喷淋水泵、除水器、水槽及管路阀门等零部件组成。

主机主要是内部循环水与冷却水进行热交换，主要控制内、外循环水的补水、冷却塔的进口压力及根据冷却温度进行自动热交换等。

闭式水循环冷却塔的冷却介质全封闭循环，可防止冷却介质的蒸发损耗。极大降低水损耗，全年水损耗量仅为开式冷却塔的1/10。采用风冷和喷淋水蒸发吸热双重冷却方式，冷却效率高，还可防止杂物进入冷却管路系统造成结垢和堵水现象，避免出现烧硅、烧电抗器故障。

3.3 采用“双泵”设置

“双泵”指中频电源和中频电容为一路供水系统，感应加热线圈为另一路供水系统。由于中频加热线圈出水温度为55℃左右，中频电源和中频电容出水温度在40℃左右，采用 “双泵”设置可以保证中频电源和中频电容器有低的温升。

3.4 采用 “双备”设置

“双备”指有工作泵和备用泵。生产中遇到突然停电或供水水泵故障时，循环冷却水不能正常供给，必须有应急水供应来保护中频感应线圈不被烧毁。采用“双备”设置能够迅速给中频感应圈供水降温。

3.5 增加流量保护设置

在中频感应加热设备循环水冷系统中除设置水压保护外，增加流量保护设置。水压保护对流量减少不起保护作用，因此，流量保护成为现代感应加热设备的报警元件之一。

另外，在中频感应加热设备循环水冷系统中配置分水器和回水箱，以保证设备的正常供水和回水。将冷却水系统安装在独立的封闭房间内，可以避免防腐车间内腐蚀性气体和粉尘的污染腐蚀，又有利于管理和维修。

4 改进后的应用和效果

对山东胜利钢管有限公司和新疆鹏远新材料股份有限公司的钢管3PE防腐机组中频感应加热设备的循环水冷系统进行了改造，经过近4年的使用，所有中频感应加热设备未出现因水冷系统问题导致的中频感应设备损坏或停车，大大提高了生产作业率，减少了设备故障，提高了防腐产品合格率，节约了材耗，达到了改进和优化的预期效果。

5 结 语

优质可靠的循环水冷系统，是保证中频感应加热设备长期可靠运行、节能降耗的重要保证。本研究经过对中频感应加热设备循环水冷系统的优化和改造，大大减少了设备故障率，提高了生产效率和产品合格率，达到了预期的效果，为钢管3PE防腐生产提供一定的借鉴。

［1］温新林，王秀梅，宿新天.高中频表面淬火感应加热设备的空气冷却器[J].新技术新工艺，2004（10）：54-55.

［2］李韵豪.锻压工业中的感应加热 第十讲 锻造工业感应加热设备的水冷却系统[J].机械工人（热加工），2007（11）： 85-88.

［3］宿新天.空气冷却器在热处理行业中的应用 第三讲感应加热设备水冷系统空气冷却器[J].金属加工（热加工）， 2008（7）： 81-82.

［4］胡源申.高炉冷却水质的结垢研究与设计选择[C]//第九届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2013：530-536.

［5］刘明谦，李欣.冷却循环水系统水质问题初探[J].制冷与空调， 2010（6）： 32-34， 38.

［6］时金林，李欣平，杨泽宇.高硬度水用于高炉循环冷却系统水质稳定处理技术研究[C]//第三届全国冶金节水、污水处理技术研讨会暨莱钢现场节水经验交流会文集.青岛：中国金属学会，2007：178-181.

［7］伍卫阳，林桂炽.反渗透技术在制备纯净水中的应用[J].科教文汇（下旬刊）， 2009（6）： 282.

［8］郑晨，祖学卉.反渗透技术简介与应用分析[J].辽宁化工， 2014（3）： 72-73， 75.

［9］宋进.闭式冷却塔中均匀布水及其对传热传质影响的实验研究[D].上海：华东理工大学，2012.

［10］刘乃玲，陈伟，邵东岳，等.闭式冷却塔的结构优化[J].工业用水与废水， 2007（4）：119-122.

Circulating Water-cooling System Improvement of Steel Pipe Anticorrosion Medium Frequency Induction Heating Device

BAO Xinyuan1,ZHANG Qian2,JIA Zhen2,ZU Zhiying1,WEI Dongfeng3
（1.Xinjiang Pengyuan New Material Company,Urumchi 830000,China;2.The Third Gas Gathering Plant,Changqing Oilfield Branch,Uxin Banner 017300,Ordos,Inner Mongolia;3.Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

In this article,it detailedly introduced the circulating water-cooling system of medium frequency induction heating device,and analyzed the general situation and existed problems.Aiming at the existed problems in the original water-cooling system,the optimization and transform were carried out.It added pure water preparation equipment and closed cooling tower,adopted the"double spare pumps"and"double pumps"settings and flow protection settings,the improved circulating water-cooling system of medium frequency induction heating device was used in practice.The application results showed that the improved system greatly reduced equipment failure rate,increased production efficiency and product percent of pass,and achieved the expected effect.

steel pipe;anticorrosion;medium frequency;circulating water-cooling system

TE988

B

1001－3938（2015）09-0056-05

鲍新愿（1961—），男，高级工程师，高级项目管理师，研究员，主要从事管道防腐绝热技术的开发和管理工作。

2015-06-02

李 超