寶鋼ERW焊管線上的高頻焊接機的應用

　　隨著石油工業的迅猛發展, 油氣輸送用管及油氣田開采用管對各類鋼管的性能、質量要求不斷提高。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、抗擠抗爆性能優良、成本較低而被推廣應用。因此直縫高頻電阻焊接( 簡稱ERW) 鋼管的生產設備及生產工藝技術得到了快速發展。技術人員就結合高頻焊接機在生產中的實際運行情況，對設備熱負荷運行中的問題和設備管理提出一定的觀點。

　　一、ERW焊管線介紹

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

　　焊管線主要設備流程如圖一。

　　圖一 焊管線設備流程圖

　　該生產線能生產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構圓管、方矩形管等，設計年產焊管30萬噸，管徑在φ219.0~610mm。

　　二、大功率高頻焊機的應用

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

　　ERW 焊管機組吸取了世界同類機組的發展經驗, 結合當前世界先進的高頻感應技術的發展, 采用了EFD基于IGBT的大功率高頻感應焊接技術。該設備既可以用作感應焊機，也可以更換負載改成接觸焊機。而接觸焊接的優點是效率高電耗小，但是其缺點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量的要求不斷提高，高頻感應焊在20世紀90年代以來得到很大的應用。

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

　　圖二 高頻感應焊機工作原理圖

　　接觸焊的焊接原理與感應焊的焊接原理基本相同，不同的是感應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邊緣。感應焊的焊接電流是高頻電流通過線圈感應出來的電流，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焊高，但是也易產生接觸擦傷和火花燒痕。

　　焊機電源部分是高頻焊機的核心技術所在。焊機系統的主要電氣參數見表一。從表一中，可以看出其新技術：如何在使用IGBT作為逆變元件的條件下，能夠輸出頻率達到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，這些在以后的設備管理中給設備人員也提出很高的要求。

　　表一 高頻焊機參數表

　　焊機的電氣工作原理圖如圖三所示。其整流部分設計為雙整流變壓器雙直流母線，采用二極管三相整流橋。兩個整流變分別采用Δ/Y11和Δ/Y12，對于引起較少的電網諧波具有很好的作用。逆變部分也分成兩大部分，一組并聯9個逆變模塊，一組并聯8個模塊(實際上逆變柜中每組有12個模塊容量空間)，總共17個逆變模塊輸出到高頻匹配變壓器17個一次線圈，高頻變壓器二次線圈只有一扎，與補償電容和負載線圈形成串聯諧振回路。焊機輸出頻率由串聯諧振頻率決定，輸出功率由調整逆變部分IGBT觸發脈沖占空比進行調節。負載部分可以根據生產需要，切換成感應線圈或者接觸靴。

　　圖三 高頻焊機電源電氣工作原理圖

　　高頻焊機設備的控制系統主要集中在逆變部分，控制系統主要由雙環構成。外環為功率環，內環為電流環，頻率的控制由輸出電流的反饋進行頻壓轉換后進入脈沖控制環節。設備以220KHZ進行啟動，啟動后迅速進入諧振頻率自我檢測，送入控制系統。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。每種模式的區別在于采用不同的方法設置焊接功率的給定，送往控制系統。