寶鋼ERW焊管線上的高頻焊接機(jī)的應(yīng)用

　　隨著石油工業(yè)的迅猛發(fā)展, 油氣輸送用管及油氣田開采用管對各類鋼管的性能、質(zhì)量要求不斷提高。高頻直縫電阻焊(簡稱ERW )油氣井套管，以其較無縫套管尺寸精度高、沖擊韌性好、抗擠抗爆性能優(yōu)良、成本較低而被推廣應(yīng)用。因此直縫高頻電阻焊接( 簡稱ERW) 鋼管的生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝技術(shù)得到了快速發(fā)展。技術(shù)人員就結(jié)合高頻焊接機(jī)在生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)行情況，對設(shè)備熱負(fù)荷運(yùn)行中的問題和設(shè)備管理提出一定的觀點(diǎn)。

　　一、ERW焊管線介紹

　　寶鋼中口徑直縫焊管生產(chǎn)線是集焊接、精整、管加工、焊管套管熱處理于一體的焊管生產(chǎn)線。其中ERW焊管線引進(jìn)了德國SMS Meer 公司開發(fā)的成型設(shè)備與技術(shù), 并配置了世界上最先進(jìn)的無損探傷設(shè)備、高頻焊接設(shè)備、焊縫熱處理設(shè)備。

　　焊管線主要設(shè)備流程如圖一。

　　圖一 焊管線設(shè)備流程圖

　　該生產(chǎn)線能生產(chǎn)X80鋼級的海上、陸地用管線管，各類高鋼級焊接套管，各類高抗擠壓油套管及各類結(jié)構(gòu)圓管、方矩形管等，設(shè)計(jì)年產(chǎn)焊管30萬噸，管徑在φ219.0~610mm。

　　二、大功率高頻焊機(jī)的應(yīng)用

　　成型鋼管的焊接是焊管線核心部分，焊接的質(zhì)量直接決定產(chǎn)品的合格率。隨著功率元件和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及加熱、熔煉、焊接對感應(yīng)設(shè)備的需求的推動，感應(yīng)焊接設(shè)備技術(shù)也得到前所未有的發(fā)展機(jī)會。功率元件從電子管到可控硅、MOSFET到IGBT逐步采用，感應(yīng)設(shè)備的功率、頻率也在逐步的提高。

　　ERW 焊管機(jī)組吸取了世界同類機(jī)組的發(fā)展經(jīng)驗(yàn), 結(jié)合當(dāng)前世界先進(jìn)的高頻感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展, 采用了EFD基于IGBT的大功率高頻感應(yīng)焊接技術(shù)。該設(shè)備既可以用作感應(yīng)焊機(jī)，也可以更換負(fù)載改成接觸焊機(jī)。而接觸焊接的優(yōu)點(diǎn)是效率高電耗小，但是其缺點(diǎn)是易留下接觸塊的擦傷和電火花燒痕。因此鑒于用戶對鋼管質(zhì)量的要求不斷提高，高頻感應(yīng)焊在20世紀(jì)90年代以來得到很大的應(yīng)用。

　　高頻焊機(jī)的感應(yīng)焊接原理如圖二所示。線圈中通過高頻電流I1，在鋼管上感應(yīng)出高頻電流I2。根據(jù)高頻電流的趨膚效應(yīng)，以及相反方向的電流流經(jīng)鋼管的V形角的兩個(gè)邊緣的臨近效應(yīng)，使感應(yīng)出的電流主要從V形角的鋼帶邊緣流過。由于V形角在擠壓點(diǎn)D處鋼帶距離最近，此處的臨近效應(yīng)也是最強(qiáng)，流經(jīng)D點(diǎn)的感應(yīng)電流也是最大，因此此處的熱效應(yīng)也是最集中。經(jīng)過D點(diǎn)擠壓輥的擠壓，D點(diǎn)融化的金屬焊接在一起。實(shí)際生產(chǎn)和理論證明，V形角θ的大小以及線圈直徑Φ2與鋼管直徑Φ1的配合，直接影響焊機(jī)的效率和焊接質(zhì)量的高低。

　　圖二 高頻感應(yīng)焊機(jī)工作原理圖

　　接觸焊的焊接原理與感應(yīng)焊的焊接原理基本相同，不同的是感應(yīng)焊需要線圈套在成型鋼管上，而接觸焊是通過接觸靴壓在鋼帶的兩個(gè)邊緣。感應(yīng)焊的焊接電流是高頻電流通過線圈感應(yīng)出來的電流，而接觸焊的焊接電流則直接使用高頻電源電流。因此，接觸焊的效率明顯比感應(yīng)焊高，但是也易產(chǎn)生接觸擦傷和火花燒痕。

　　焊機(jī)電源部分是高頻焊機(jī)的核心技術(shù)所在。焊機(jī)系統(tǒng)的主要電氣參數(shù)見表一。從表一中，可以看出其新技術(shù)：如何在使用IGBT作為逆變元件的條件下，能夠輸出頻率達(dá)到90～180KHZ且功率可到1800KW的高頻電源。另外高頻逆變柜中的各種元件的布置和走線也極為講究，這些在以后的設(shè)備管理中給設(shè)備人員也提出很高的要求。

　　表一 高頻焊機(jī)參數(shù)表

　　焊機(jī)的電氣工作原理圖如圖三所示。其整流部分設(shè)計(jì)為雙整流變壓器雙直流母線，采用二極管三相整流橋。兩個(gè)整流變分別采用Δ/Y11和Δ/Y12，對于引起較少的電網(wǎng)諧波具有很好的作用。逆變部分也分成兩大部分，一組并聯(lián)9個(gè)逆變模塊，一組并聯(lián)8個(gè)模塊(實(shí)際上逆變柜中每組有12個(gè)模塊容量空間)，總共17個(gè)逆變模塊輸出到高頻匹配變壓器17個(gè)一次線圈，高頻變壓器二次線圈只有一扎，與補(bǔ)償電容和負(fù)載線圈形成串聯(lián)諧振回路。焊機(jī)輸出頻率由串聯(lián)諧振頻率決定，輸出功率由調(diào)整逆變部分IGBT觸發(fā)脈沖占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。負(fù)載部分可以根據(jù)生產(chǎn)需要，切換成感應(yīng)線圈或者接觸靴。

　　圖三 高頻焊機(jī)電源電氣工作原理圖

　　高頻焊機(jī)設(shè)備的控制系統(tǒng)主要集中在逆變部分，控制系統(tǒng)主要由雙環(huán)構(gòu)成。外環(huán)為功率環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，頻率的控制由輸出電流的反饋進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換后進(jìn)入脈沖控制環(huán)節(jié)。設(shè)備以220KHZ進(jìn)行啟動，啟動后迅速進(jìn)入諧振頻率自我檢測，送入控制系統(tǒng)。另外，在操作臺屏幕上可以選擇三種工作模式：速度模式，溫度模式和手動模式。每種模式的區(qū)別在于采用不同的方法設(shè)置焊接功率的給定，送往控制系統(tǒng)。