Электрические нагревательные элементы обеспечивают жизненно важный источник тепла в промышленности, быстро повышая температуру теплоносителя или оборудования. Электрические нагреватели часто производятся с корпусом из металла, и для их изготовления может понадобиться сварка.
В данной статье мы рассмотрим типы сварки на примере фотографий изготовления нагревателей резервуаров фланцевого или трубного типа. Их прочная, компактная и несложная конструкция делает их популярным методом нагрева емкостей и резервуаров с водой, маслом, битумом, мазутом и прочими нефтепродуктами.
Погружные и врезные нагреватели резервуаров эффективны, экономичны с точки зрения первоначальных инвестиций и общей стоимости. Нагреватели нефтепродуктов – это надежный и быстрый метод нагрева жидкостей в резервуарах и емкостях. Фланцевые нагреватели могут напрямую нагревать жидкость с непосредственным контактом, а трубные нагреватели имеют внутри металлических приваренных на общем фланце труб керамические сухие ТЭНы.
В качестве альтернативы нагреватели нефтепродуктов могут использовать режим непрямого нагрева, когда вторичный контур теплопередачи в сосуде нагревает теплоноситель. Этот нагрев осуществляется при помощи проточных нагревателей. При прямом методе нагрева жидкость быстро достигает желаемой температуры и тепло может точно поддерживаться в течение более длительных периодов времени.
Нагреватель нефтепродуктов косвенного нагрева, который состоит из керамических сухих ТЭНов, заключенных в металлические приваренные к общему фланцу трубы, может либо привариваться к стенке резервуара (врезные нагреватели), либо иметь погружную штангу и устанавливаться в емкости полностью (погружные нагреватели).
Как работают нагреватели и роль нагревательных элементов
Электронагреватели представляют собой нагреватели резистивного типа, в которых тепло вырабатывается за счет сопротивления нагревательных спиралей из нихрома. Нагреватели эффективно преобразуют электрическую энергию в тепловую за счет сопротивления нагревательного элемента. Нагревательные элементы бывают разной конструкции. К примеру, во фланцевых нагревателях нагревательные элементы представляют собой электрические резистивные спирали в оболочке из металла с магниевым диэлектриком, а трубные нагреватели нефтепродуктов имеют в качестве нагревательного элемента керамические сухие ТЭНы с открытыми спиралями из нихромовой проволоки, помещенные в металлические трубы. Таким образом, в обоих случаях конструкция предполагает наличие металлической оболочку для защиты нагревательного элемента от технологической жидкости.
При выборе нагревателя необходимо учитывать некоторые аспекты, в том числе:
- Материал оболочки
- Корпус
- Нагревательный элемент
- Плотность мощности и мощность нагревателя
- Применимый диапазон температур.
Материал оболочки для нагревателей
Материал оболочки играет ключевую роль в долговечности погружного нагревателя, и в редких случаях неправильный выбор материала оболочки может привести к выходу из строя в течение нескольких часов. Трубные нагреватели, конечно, больше защищены от влияния жидкости, так как нагревательные элементы не контактируют с ней напрямую, а вот для фланцевых нагревателей, которые погружаются в жидкость напрямую, правильный выбор металла чрезвычайно важен.
Обычно медные ТЭНы используется для работы с чистой водой, тогда как черная углеродная сталь используется для работы при более высоких температурах до 400 С в масле, щелочных чистящих растворах, парафине, битуме, гудроне и прочих нефтепродуктах.
Нержавеющая сталь SS 304 используется для работы при температуре до 650˚С в коррозионно-активных жидкостях, жидкостях для пищевой промышленности, мыле, технологической воде в градирнях и реакторах, а также в больничном оборудовании. Инколой используется при температурах до 800°С в чистящих и обезжиривающих растворах, гальванических и травильных растворах.
Материалы греющих спиралей
Наиболее распространенными материалами для нагревательных элементов являются сплавы. Это связано с тем, что отдельные металлы не могут противостоять повышенным температурам и термическим напряжениям. Распространенной комбинацией является сплав никеля и хрома, также известный как нихром. Нихром состоит из 80% никеля и 20% хрома. Трубки обычных металлических ТЭНов и патронных нагревателей заполнены магнием в кольцевом пространстве между нагревательным элементом и материалом оболочки, который действует как изолятор. Состав нагревательного элемента определяется нагреваемым материалом или жидкостью. Например, нагревательные элементы из низколегированной стали используются для нагрева масла, а нагревательные элементы из нержавеющей стали используются в процессе пивоварения.
Типы сварки в зависимости от типа металла
Для того чтобы изготовить нагревательный элемент, нужно будет применять сварку и пайку как для нагревательных спиралей в месте контакта с элементами подключения к сети питания, так и для изготовления корпуса.
В нагревателях нефтепродуктов трубного типа к общему фланцу привариваются металлические трубы. Тип сварки для этих нагревателей выбирается в зависимости от типа металла, из которого изготовлен нагревательный элемент.
Нихром
Наиболее часто используемым сплавом для нагревательных элементов является нихром из-за его высокого электрического сопротивления и способности образовывать слой оксида хрома при первом нагреве, который действует как слой защиты от коррозии.
Нихром имеет удивительно высокую температуру плавления около 1400°C. Также важно отметить, что температура плавления зависит от состава сплава. Нихром А, который на 80% состоит из никеля и на 20% из хрома, имеет температуру плавления 1400°С. В то время как Nichrome C, который состоит из 60% никеля и 16% хрома, имеет рабочую температуру 1000°C, оба типа сплава обладают эквивалентной коррозионной стойкостью.
Аргонная сварка TIG или сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа или дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа (GTAW) — это процессы сварки, которые обеспечивают высококачественный сварной шов с использованием постоянного тока. Пайка или пайка твердым припоем — еще один экономичный метод соединения сплавов при температуре около 350°C.
Из-за низкой теплопроводности никелевых сплавов, таких как нихром, накопление тепла происходит быстро, поэтому метод заключается в охлаждении между валиками или проходами и очистке поверхности перед сваркой и проходами, чтобы предотвратить накопление шлака. Вольфрамовая присадочная проволока в GTAW должна быть хорошо защищена аргоном, чтобы избежать окисления. Возможна пайка при повышенной температуре или серебряный припой нихрома с нержавеющей сталью, но мягкий припой обычно невозможен из-за наличия слоя окисления в обоих сплавах.
Фехраль
Для изготовления нагревательных элементов также часто используется фехраль. Фехралевые спирали гораздо дешевле нихромовых, поэтому они являются предпочтительным выбором для недорогих нагревателей.
Еще одним преимуществом фехрали перед нихромом, кроме низкой стоимости, является простота в обращении. Если для сварки и пайки нихрома нужно хорошо постараться, то спаять фехраль не проблема.
Пайка фехрали проводится при помощи припоев ПОС 50, ПОС 61 или ПОС 40, при этом необходимо пользоваться флюсом. Температура пайки - 300 С.
Но, конечно же, сварка гораздо лучше и надежнее пайки. Особенно это касается соединения тонкой фехралевой проволоки. Предпочтительный метод сварки, как и в случае с нихромом – аргоннодуговая сварка вольфрамовым электродом с постоянным током.
Хастеллой
Еще один материал нагревательного элемента – хастеллой. Hastelloy представляет собой сплав никеля и молибдена и является предпочтительным материалом для агрессивных сред. Это связано с его выдающейся устойчивостью к восстановителям и окислителям. Кроме того, включение молибдена придает сплаву высокую температуру плавления.
Сварка сплава Hastelloy аналогична сварке материала SS316L, а GTAW или аргонная сварка TIG являются предпочтительным методом ручной или автоматической сварки. В большинстве случаев изделия из сплава Hastelloy используются в сварном состоянии без термической обработки после сварки, такой как полный отжиг или снятие напряжений, в отличие от металлов.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь часто используется как материал для изготовления корпусов нагревательных элементов. Из нержавейки мы изготавливаем трубчатые нагреватели, патронные ТЭНы, кольцевые и плоские нагреватели, элементы промышленных печей. Предпочтительный метод сварки зависит от толщины детали. Для наиболее распространенных случаев при изготовлении нагревательных элементов используются аргонная TIG или GTAW сварка, в то время как дуговая сварка защищенным металлом или SMAW являются более экономичным методом для деталей толщиной > 5 мм. Кроме нагревателей мы производим изделия из нержавейки под заказ, а также предоставляем услуги по лазерной резке и сварке.
Черная углеродистая сталь
Из черной стали производятся погружные и врезные нагреватели трубного типа, некоторые типы ТЭНов, фланцевые нагреватели нефтепродуктов. Данный материал легко сваривается и обычным способом, но при малой толщине листа металла и для получения идеально ровных швов может использоваться и аргоновая сварка. Главной проблемой аргоновой сварки черной стали является кипение сварочной ванны. Оно случается из-за того, что металл получается недостаточно раскаленным. Для того чтобы избежать данной проблемы, следует правильно подбирать присадочный материал и использовать флюсы, которые улучшают раскаливание.
Титан
Для применения в сложных условиях с точки зрения температуры и агрессивных свойств жидкости иногда титан также используется для нагревательных элементов. Однако титан обладает свойствами, которые затрудняют сварку, к ним относятся более низкая плотность, чем у большинства металлов, низкая эластичность и низкая пластичность.
Обычно TIG является предпочтительным методом выбора с использованием аргона чистотой 99,99% в качестве защитного газа, поскольку титан легко вступает в реакцию. Экранирование имеет первостепенное значение при сварке титана для защиты сварочной ванны от атмосферного загрязнения, которое может привести к получению слабых и некачественных сварных швов. Другими процессами сварки, которые можно использовать, являются электронно-лучевая сварка (EBW), контактная сварка (RW), плазменно-дуговая сварка (PAW) и сварка трением (FRW).
В последние годы электронно-лучевая сварка приобрела популярность благодаря своей экономичности при сварке титана, когда высокоскоростной электронный луч соединяет два металла вместе. Луч генерирует сильное тепло, когда встречается с металлом, таким образом сплавляя две металлические части вместе.
