DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al campo técnico del tratamiento térmico de piezas metálicas y más concretamente a los sistemas multifrecuencia de calentamiento por inducción de piezas como tubos o perfiles metálicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente, el calentamiento por inducción de grandes piezas metálicas, como por ejemplo perfiles o tubos de conducción utilizados posteriormente en instalaciones petrolíferas, es parte esencial de su tratamiento térmico, donde la precisión es fundamental para conseguir unos resultados eficaces y prevenir problemas de enfriamientos inesperados o repartos desiguales del tratamiento.

En este tipo de piezas longitudinales son especialmente críticos los extremos, donde en procesos convencionales tienen más riesgo de perder temperatura que las zonas centrales de la pieza y, precisamente en los extremos, es donde se ubican los sistemas de conexión (normalmente rosca) con los otros tubos contiguos que formarán el conducto completo. Estas conducciones petrolíferas se encuentran habitualmente enterradas a varios cientos de metros, por lo que la rotura de un extremo como consecuencia de una resistencia mecánica deficiente, inutiliza la instalación completa y obliga a realizar un nuevo sondeo paralelo para su reparación, con la consiguiente pérdida de recursos, retrasos y otros inconvenientes.

Los sistemas de calentamiento por inducción de piezas metálicas recurren a procesos multifrecuenciales para conseguir un mayor control de la profundidad y grado de templado de las piezas, lo que redunda en una gran capacidad para proporcionar tratamientos uniformes sea cual sea el tipo de geometría de las piezas.

En el estado del arte, existen varios sistemas de calentamiento por inducción multifrecuenciales que aplican dos frecuencias diferentes en un proceso secuencial. Sin embargo, para ello es necesario duplicar los equipos al completo para cada una de las frecuencias, lo que resulta ineficiente. Otras soluciones del estado del arte optan por generar simultáneamente, en un único proceso, las corrientes de ambas frecuencias que alimentan a un único inductor, lo que supone una importante reducción del tiempo total del ciclo de templado de una pieza, pero sin embargo, presenta el problema de garantizar que las diferentes frecuencias no interfieran en la fuente de alimentación.

Un ejemplo de este tipo de equipos es el documento de patente EP1363474, en la cual se obtiene la corriente de salida mediante dos convertidores completos y separados, uno de ellos funcionando a alta frecuencia y el otro a media frecuencia conectados a un único inductor de calentamiento a través de circuitos resonantes, donde se evitan las perturbaciones de un primer ondulador por medio de la segunda frecuencia como consecuencia de un circuito resonante L-LC previsto con una derivación de atenuación y una derivación de casi cortocircuito. Sin embargo, entre otros problemas, estas soluciones presentan grandes inconvenientes relativos a una elevada complejidad y coste del equipo, así como excesivos tiempos de producción.

Por tanto, se echa en falta en el estado del arte una solución de inductor, que funcione con dos frecuencias, sin que estas interfieran entre sí, y que presente ventajas adicionales respecto a los sistemas ya conocidos, donde reducir el grado de complejidad sería especialmente bien recibido por la industria, así como evitar las pérdidas del filtro haciendo que aumente la eficiencia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe, en un primer aspecto un sistema bifrecuencial para calentamiento por inducción de piezas metálicas mediante una bobina inductora, donde la bobina inductora está configurada para ser atravesada por una corriente que resulta de la combinación de dos corrientes de diferente frecuencia y generar un campo electromagnético que permite calentar las piezas metálicas introducidas en el interior de dicha bobina inductora, donde el sistema comprende:

- un primer circuito inversor y un segundo circuito inversor que generan una señal de baja frecuencia y una señal de alta frecuencia respectivamente;

- un primer transformador de corriente y un segundo transformador de corriente, conectados a la salida del primer y el segundo circuito inversores respectivamente; y

- un primer elemento capacitor y un segundo elemento capacitor, conectados entre la salida del primer y el segundo transformador de corriente respectivamente y la bobina inductora; donde el segundo elemento capacitor está conectado en un punto intermedio de la bobina inductora, que define una sección que impide el paso de corrientes de alta frecuencia hacia el primer circuito inversor. Así, ventajosamente la bobina inductora actúa como filtro paso-bajo, evita que las perturbaciones por las corrientes de alta frecuencia afecten a la fuente de baja frecuencia y genera un campo inductivo sobre la pieza.

En una realización de la invención los dos circuitos inversores, que generan las señales de diferentes frecuencias, se derivan de una misma fuente de alimentación. Alternativamente, una realización de la invención contempla una fuente de alimentación para cada uno de los circuitos inversores.

Los elementos capacitores, de acuerdo a una de las realizaciones de la invención, son baterías de condensadores que, en total, presentan una capacidad distinta para el primer elemento capacitor respecto del segundo elemento capacitor.

Se contempla en una de las realizaciones que la bobina inductora de calentamiento, que recibe toda la potencia generada por las fuentes, sea una bobina de tipo multiespira.

La bobina inductora está diseñada para definir un espacio interior lo suficientemente grande como para recibir grandes piezas metálicas longitudinales. Ventajosamente, la bobina inductora cumple una doble función, en la que por un lado es un filtro paso-bajo que impide que las corrientes de alta frecuencia perturben la fuente de baja frecuencia y, por otro lado, permite realizar el calentamiento de las piezas metálicas introducidas en su interior.

En una de las realizaciones de la invención, se contemplan unos medios de guiado para introducir las piezas metálicas en el interior de la bobina inductora, donde la distancia entre la superficie exterior de las piezas metálicas introducidas por los medios de guiado y la superficie interior de la bobina inductora resulta conocida. Ventajosamente, los medios de guiado pueden formar parte de una cadena de producción automatizada, donde asegurar una distancia constante entre las superficies de las piezas a tratar y la superficie interior de la bobina inductora facilita la uniformidad en la profundidad de penetración del tratamiento.

Las ventajas que se derivan de las características de la nueva morfología descrita anteriormente para el sistema de la presente invención, resultan más evidentes para calentar piezas con una configuración longitudinal, como tubos y perfiles, pero son igualmente aplicables a cualquier pieza donde se produzcan problemas de homogeneidad del calentamiento.

Entre las ventajas de la presente invención se encuentran por ejemplo el aumento de la eficiencia, la controlabilidad de los procesos de calentamiento, repetitividad de los mismos, uniformidad del tratamiento aplicado o aislamiento frente a perturbaciones de frecuencias, obteniendo también una corriente que combina de modo simultáneo o alternado las dos frecuencias alta y media necesarias para alimentar a un único inductor de calentamiento.

Además, la invención aporta ventajas adicionales como son la reducción de complejidad, la reducción del coste y del volumen de la instalación, y la reducción de tiempos de producción.

A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:

- La figura 1 representa un esquema de una de las realizaciones de la presente invención.

- La figura 2 representa una vista en detalle de la ventajosa configuración de la bobina inductora en una realización de la presente invención, con una pieza en su interior siendo tratada. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención divulga un sistema para calentamiento por inducción, que utiliza dos frecuencias simultáneas o alternadas aplicadas sobre un mismo inductor, donde el filtro paso-bajo es utilizado también como inductor de calentamiento, reutilizando ventajosamente toda la energía consumida por el mismo y aumentando la eficiencia de todo el sistema.

Haciendo referencia a las figuras y las referencias numéricas que se adoptan en ellas, se describe a continuación en mayor detalle un ejemplo de la invención.

En la figura 1 se muestra una realización en la que el sistema está compuesto por dos inversores para proporcionar dos frecuencias diferentes, de manera que hay un primer inversor 10 que proporciona una tensión de baja frecuencia y un segundo inversor 11 que proporciona una tensión de alta frecuencia. Los inversores del sistema de calentamiento por inducción de la presente invención se conectan a una única fuente de alimentación de corriente continua (aunque en otras realizaciones puede disponerse una fuente de alimentación para cada uno de ellos), de manera que cada uno de los inversores transforma la tensión de entrada de corriente continua en una tensión simétrica de salida de corriente alterna, con la frecuencia seleccionada.

Los dos inversores de baja frecuencia 10 y alta frecuencia 11 se encuentran conectados a su salida a dos transformadores de corriente 12 y 13 respectivamente, los cuales proporcionan al sistema aislamiento galvánico y adaptación de impedancias.

Los dos transformadores de corriente 12 y 13, se encuentran conectados a una batería de condensadores 14 y 15 respectivamente y a una única bobina de calentamiento 16.

La bobina de calentamiento 16 recibe toda la potencia generada por la fuente de alimentación conectada a los inversores, donde las dos frecuencias generadas se combinan alternada o simultáneamente y la configuración del sistema de la presente invención hace que selectivamente la alta frecuencia no se aplique a toda la bobina, sino que únicamente se aplica a una primera parte 19. Por tanto, la bobina queda dividida funcionalmente en dos partes, una primera parte 19, en la que se aplica tanto la baja frecuencia como la alta frecuencia, y una segunda parte 18 en la que únicamente se aplica la baja frecuencia. La primera 19 y la segunda 18 parte de la bobina 16, quedan separadas por el punto de unión 17 entre la bobina 16 y el condensador 15. Ventajosamente, esta configuración permite al sistema de la presente invención definir selectivamente una zona de la pieza a tratar, sin que afecte la totalidad de la pieza.

La bobina de calentamiento 16 en el sistema mostrado en la figura 1, tiene una doble funcionalidad: por un lado entrega la potencia generada por las fuentes de alimentación a la carga que se encuentra en el interior de dicha bobina y, por otro lado, la parte 18 de la bobina donde sólo se aplica baja frecuencia a la carga, hace de filtro paso-bajo, evitando que las corrientes de alta frecuencia fluyan hacia la fuente de baja frecuencia, lo que resulta fundamental para que el sistema se mantenga inmune a las perturbaciones entre las diferentes frecuencias.

En la figura 2, puede apreciarse en más detalle la bobina 16, la cual está dimensionada para definir un espacio interior 21 suficientemente grande como para permitir la introducción de las piezas metálicas a tratar, que en el caso de la figura 2 es un tubo 22 en vista de sección longitudinal. Al mismo tiempo que se realiza el tratamiento térmico por inducción del tubo dispuesto en el interior de la bobina, el sistema de la presente invención se comporta funcionalmente como un filtro paso-bajo que evita las perturbaciones causadas por las altas frecuencias en la fuente de baja frecuencia.

La configuración específica del sistema que resulta en el comportamiento de filtro paso- bajo puede verse en detalle en la figura 2, donde los extremos de la bobina se encuentran conectados entre el condensador 14 y el transformador 13. Adicionalmente, el condensador 15 está conectado en un punto 17 intermedio de la bobina, definiendo la sección 18, desde dicho punto de conexión 17 hasta el extremo conectado al condensador 14, la cual evita que las corrientes de alta frecuencia fluyan hacia la fuente de baja frecuencia y, por tanto, funcionalmente es un filtro paso-bajo.

El sistema de calentamiento por inducción de la presente invención, descrito en detalle en las realizaciones correspondientes a las figuras anteriores, tiene un abanico muy amplio de aplicaciones. El calentamiento por inducción resulta una técnica transversal a multitud de campos técnicos, de manera que las posibilidades de control que ofrece la combinación de frecuencias sobre un mismo inductor, que al mismo tiempo actúa de filtro paso-bajo, reutilizando todo el campo magnético generado en energía entregada a las piezas a tratar, aumenta ventajosamente la eficiencia del sistema. Además, reduce la complejidad y material de los sistemas tradicionales, que necesitan incluir bobinas de filtro independientes para prevenir las perturbaciones entre diferentes frecuencias.

En función de las necesidades de cada pieza específica, el sistema por inducción de la presente invención puede aplicar ambas frecuencias alternada o simultáneamente en toda la bobina o, en una realización alternativa, aplicarlas de formas secuencial. La geometría de la pieza, el material o las características finales que se esperan de la pieza determinan la configuración específica del inductor para ofrecer unos resultados de la máxima calidad y dureza.

En el caso por ejemplo de tubos conductores utilizados en instalaciones petrolíferas, las partes más críticas resultan ser los extremos de los tubos, ya que en ellos se soportan las conexiones entre tubos contiguos y pueden quedar expuestos a mayores desgastes y fatigas. El proceso de calentamiento para estos casos debe estar totalmente garantizado para la pieza completa y debe prevenir que los extremos puedan perder temperatura respecto de la parte central de la pieza, causado por un enfriamiento inesperado que provocaría que las propiedades mecánicas de los extremos no fuesen las deseadas. Así, el sistema por inducción de la presente invención, aplica selectivamente altas y bajas frecuencias en la bobina inductora para conseguir un control total sobre el calentamiento de la pieza, de manera que puede combinar diferentes profundidades de penetración del tratamiento según la temperatura, teniendo siempre en cuenta que la profundidad de penetración es inversamente proporcional a la frecuencia aplicada. No obstante, la presente invención es igualmente aplicable para cualquier pieza donde se produzcan problemas de enfriamiento inesperado en alguna de sus zonas tratadas.

El sistema multifrecuencia de calentamiento por inducción, con protección frente a perturbaciones entre diferentes frecuencias, puede integrarse en una cadena de proceso como un elemento automatizado más o puede también utilizarse de manera independiente introduciendo las piezas manualmente.

La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.