宝钢ERW焊管线上的高频焊接机的应用

　　随着石油工业的迅猛发展, 油气输送用管及油气田开采用管对各类钢管的性能、质量要求不断提高。高频直缝电阻焊(简称ERW )油气井套管，以其较无缝套管尺寸精度高、冲击韧性好、抗挤抗爆性能优良、成本较低而被推广应用。因此直缝高频电阻焊接( 简称ERW) 钢管的生产设备及生产工艺技术得到了快速发展。技术人员就结合高频焊接机在生产中的实际运行情况，对设备热负荷运行中的问题和设备管理提出一定的观点。

　　一、ERW焊管线介绍

　　宝钢中口径直缝焊管生产线是集焊接、精整、管加工、焊管套管热处理于一体的焊管生产线。其中ERW焊管线引进了德国SMS Meer 公司开发的成型设备与技术, 并配置了世界上最先进的无损探伤设备、高频焊接设备、焊缝热处理设备。

　　焊管线主要设备流程如图一。

　　图一 焊管线设备流程图

　　该生产线能生产X80钢级的海上、陆地用管线管，各类高钢级焊接套管，各类高抗挤压油套管及各类结构圆管、方矩形管等，设计年产焊管30万吨，管径在φ219.0~610mm。

　　二、大功率高频焊机的应用

　　成型钢管的焊接是焊管线核心部分，焊接的质量直接决定产品的合格率。随着功率元件和电力电子技术的不断发展，以及加热、熔炼、焊接对感应设备的需求的推动，感应焊接设备技术也得到前所未有的发展机会。功率元件从电子管到可控硅、MOSFET到IGBT逐步采用，感应设备的功率、频率也在逐步的提高。

　　ERW 焊管机组吸取了世界同类机组的发展经验, 结合当前世界先进的高频感应技术的发展, 采用了EFD基于IGBT的大功率高频感应焊接技术。该设备既可以用作感应焊机，也可以更换负载改成接触焊机。而接触焊接的优点是效率高电耗小，但是其缺点是易留下接触块的擦伤和电火花烧痕。因此鉴于用户对钢管质量的要求不断提高，高频感应焊在20世纪90年代以来得到很大的应用。

　　高频焊机的感应焊接原理如图二所示。线圈中通过高频电流I1，在钢管上感应出高频电流I2。根据高频电流的趋肤效应，以及相反方向的电流流经钢管的V形角的两个边缘的临近效应，使感应出的电流主要从V形角的钢带边缘流过。由于V形角在挤压点D处钢带距离最近，此处的临近效应也是最强，流经D点的感应电流也是最大，因此此处的热效应也是最集中。经过D点挤压辊的挤压，D点融化的金属焊接在一起。实际生产和理论证明，V形角θ的大小以及线圈直径Φ2与钢管直径Φ1的配合，直接影响焊机的效率和焊接质量的高低。

　　图二 高频感应焊机工作原理图

　　接触焊的焊接原理与感应焊的焊接原理基本相同，不同的是感应焊需要线圈套在成型钢管上，而接触焊是通过接触靴压在钢带的两个边缘。感应焊的焊接电流是高频电流通过线圈感应出来的电流，而接触焊的焊接电流则直接使用高频电源电流。因此，接触焊的效率明显比感应焊高，但是也易产生接触擦伤和火花烧痕。

　　焊机电源部分是高频焊机的核心技术所在。焊机系统的主要电气参数见表一。从表一中，可以看出其新技术：如何在使用IGBT作为逆变元件的条件下，能够输出频率达到90～180KHZ且功率可到1800KW的高频电源。另外高频逆变柜中的各种元件的布置和走线也极为讲究，这些在以后的设备管理中给设备人员也提出很高的要求。

　　表一 高频焊机参数表

　　焊机的电气工作原理图如图三所示。其整流部分设计为双整流变压器双直流母线，采用二极管三相整流桥。两个整流变分别采用Δ/Y11和Δ/Y12，对于引起较少的电网谐波具有很好的作用。逆变部分也分成两大部分，一组并联9个逆变模块，一组并联8个模块(实际上逆变柜中每组有12个模块容量空间)，总共17个逆变模块输出到高频匹配变压器17个一次线圈，高频变压器二次线圈只有一扎，与补偿电容和负载线圈形成串联谐振回路。焊机输出频率由串联谐振频率决定，输出功率由调整逆变部分IGBT触发脉冲占空比进行调节。负载部分可以根据生产需要，切换成感应线圈或者接触靴。

　　图三 高频焊机电源电气工作原理图

　　高频焊机设备的控制系统主要集中在逆变部分，控制系统主要由双环构成。外环为功率环，内环为电流环，频率的控制由输出电流的反馈进行频压转换后进入脉冲控制环节。设备以220KHZ进行启动，启动后迅速进入谐振频率自我检测，送入控制系统。另外，在操作台屏幕上可以选择三种工作模式：速度模式，温度模式和手动模式。每种模式的区别在于采用不同的方法设置焊接功率的给定，送往控制系统。