高频焊机在宝钢ERW焊管线中的应用与管理

1、高频焊机在宝钢ERW焊管线中的应用与管理张林摘要：本文介绍了宝钢ERW焊管线上的高频感应焊机的应用。对感应焊机的工作原理、高频电源的基理及其控制系统给予了阐述；同时描述了高频焊机故障自我检测以及网络配置情况。并结合焊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。关键词：高频焊机 ERW 焊管线 感应焊 接触焊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

2、备及生产工艺技术得到了快速发展。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。开卷机夹送辊矫平机夹送辊夹送辊活套压下机架成型机架高频焊机中频退火冷却定径机架铣边机飞锯锯后辊道图一 焊管线设备流程图该生产线能生产钢级的海上、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，设计年产焊管万吨，管径在219.0610mm。二、大功率高频焊机的应用成型钢管

3、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

4、90年代以来得到很大的应用。1、焊机工作原理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形角的大小以及线圈直径2与钢管直径1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

5、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。2、焊机高频电源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90180KHZ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 高频焊机参数表参数数据输 出 功 率01800KW

6、输 出 频 率90180KHZ输 入 电 压3*480V输出最大电流11600 A 109 kHz电源额定效率0.87冷 却 水 压56bar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/Y11和/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

7、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。焊机电源具有比较完善的故障检测和保护系统。对于过流、欠压、IGBT损坏、控制板损坏、冷却水等几十种可能故障都有自我检测功能。另外，焊机系

8、统带有一套监测系统QMS，其PC系统通过西门子S7将高频焊机和中频退火设备主要参数和报警故障信号采集过来，直观的将参数用曲线呈现在显示器上；同时将故障信号及可能的原因和措施在QMS系统上显示。这套系统一方面有利于生产进行产品参数考核，另一方面有利于设备维护人员进行故障处理等管理工作。3、 QMS与网络连接高频焊机和两段退火工作台与QMS（焊机质量监控系统）系统西门子S7之间采用Profibus总线进行连接；每段工作台EURO2500PLC与该段3台焊机之间采用DEVICEnet总线构成网络。QMS系统负责收集焊机的主要参数，包括功率、电流、频率等；还收集中频退火设备的温度和功率等参数；同时，Q

9、MS将这些参数用曲线直观的体现出来。而QMS与轧机控制中心也采用profibus总线连接，与机组其他设备一起可以实现中央集中控制；与快速设定中心则采用ethernet进行连接，在进行某种规格焊管的生产时可以将保存在快速设定中心服务器上的设备生产参数设定快速下载到设备中。三、焊机在生产中的应用实践从2005年10份，高频焊机开始热负荷试车到现在，设备已基本稳定运行。但是在试车之初，也是设备故障集中爆发期这也是新生产线投入生产初期的普遍规律。高频焊机从预充电检测回路元件的烧毁，到逆变模块控制电源线故障，再到脉冲分配板损坏，多起设备故障对焊机进行了考验，同时也对设备管理维护人员进行现场考验。另外，故

10、障处理中也暴露了很多的不足，或缺备件或延长时间影响试车计划。这些不足，虽然主要由于厂家当时没有及时将随机备件送到，而且当时现场还没有着手开始备件的采购，但是各种情况都给我们设备管理人员提了个醒。另外，由于高频焊机的感应线圈属于生产负责，包括线圈规格的更换、维护以及购买。但是线圈同时也是焊机电源负载回路的一部分，线圈发生任何故障，都会影响电源系统的正常运行。因此，负载线圈部分需要生长和设备方进行共同协商处理。类似的设备还有焊接温度记，它不仅是生产焊接时重要参考数据，但同时在温度模式时也是决定功率给定的一个因素。因此，如何很好的准确测量焊接温度，也是下一步的重要课题。四、设备的管理目前，宝钢焊管生

11、产尚处在起步阶段。如何能够尽快生产出一流的产品，如何能够跻身世界一流焊管企业？一方面要靠生产人员对产品工艺不断开发不断创新；另一方面要靠设备人员深入消化新设备技术，掌握快速处理设备故障技能，争取减少设备故障停机时间。针对这些现实听矿，设备部及各级设备管理人员从项目伊始就加强了设备管理。1、 加强设备技术消化在项目进行之初，现场设备人员、生产人员介入设备谈判、设计中，预早对设备进行了了解。在设备开始进行调试时，包括设备部等相关单位相关人员都对焊管线的核心设备高频焊机和中频退火设备进行调试跟踪和技术消化。对于掌握目前含有大量黑匣子的外方设备控制系统来说，边跟踪调试边消化设备技术资料具有很现实的一种

12、方法。2、 加强设备维护在焊管线以及投入正常合同生产之际，根据目前宝钢行之有效的设备点检制度，结合中高频设备的特殊性，制定出适合现场设备的设备点检内容和制度，维护设备安全运行，保障生产计划的按时完成。3、 加强设备备件管理备件在中高频设备投产以后的运行中的地位举足轻重。几乎每一次设备发生故障时，不可避免的用备件更换发生故障的部件。有时，充足的备件也是故障排除过程中借助的工具之一。但是，从降低设备运行成本来说，越少的备件越有利于减少成本。因此，在焊机和退火设备备件准备过程中，参考厂家根据备件重要性和易损性进行的优先级分类（见表二）和备件推荐清单，结合宝钢自己多见备件管理经验，合理安排备件购买。表二 EFD备件优先级分类优先级说明举例优先级1对于设备安全运行极为重要的组件，以及设备中易损坏的的一些元器件，一定要在库存中保留充足备件。 典型的是控制板卡以及熔丝等。优先级2:根据客户需求，认为对于运行的可靠性和连续性较为重要的一些组件设备。典型的为PLC各个模块、风扇等。优先级3:EFD原装组件或者从本地供应商很难买到的。典型的为所有的电容模块和中高频变压器等。优先级4:非EFD生产的可以从本地供应商买到的，或者很容易由顾客修复的，或者对设