基于感应技术的钻杆焊缝及热影响区加热

基于感应技术的钻杆焊缝及热影响区加热

为了消除钻孔过程中产生的残余力，提高综合力学性能，必须对钻头叶片和热影响区域进行预防性维修和质量调整。一般的加热方法是在加热炉中依靠加热介质的热量使钻杆逐渐升高温度,故加热速度较慢。采用中频感应加热装置,热量是由钻杆管体上感应电流的热效应所产生,故加热速度较快,只需几十秒就使其达到热处理温度,是一种理想的加热方法。1结构中频感应加热装置主要由可控硅中频电源、中频淬火变压器、感应线圈、冷却系统等组成(如图1)。1.1双向交流结构a)主电路采用三相桥式全控整流电路,将三相工频交流电整流为直流电,经电抗器平波,成为恒定的直流电源,再经晶闸管组成的单相逆变桥,把直流电逆变成一定频率的单相中频交流电。负载由感应线圈和补偿电容器组成,连接成并联谐振电路。b)控制电路除逆变末级触发电路板外,做成一块印刷电路板结构,从功能上分为整流触发、调节器、逆变、启动演算4部分。1.2电流变换原理淬火变压器匝数比为24∶1,根据变压器的电流变换原理I1/I2≈N2/N1=1∶24,变压器副绕组得到较大的输出电流,增强涡流效应,有利于对钻杆快速加热。1.3感知器由空心铜管绕成,铜管内循环冷却水,感应线圈中通入一定频率的交流电以产生交变磁场,管体内产生频率相同、方向相反的感应电流。1.4冷却系统采用组合式散热器,水在系统内循环并冷却,以降低晶闸管、变压器、感应线圈工作时产生的热量。2电源逆变对管道焊缝的热效应如图2,380V,50Hz三相交流电整流滤波,成为恒定的直流电源,经逆变成为750V,1000Hz的单相中频交流电,再经淬火变压器输送到感应线圈,根据电磁感应原理,在钻杆焊缝处感应出频率相同、方向相反的涡流,产生涡流热效应,对钻杆焊缝及热影响区加热。3交变电流的频率和频率分布如图1,将钻杆输送到感应线圈中,感应线圈通入一定频率的交流电i,随着电流的变化,管体内的磁通量也不断改变。把管体看作由一层一层的圆筒状薄壳所组成,每层薄壳都相当于一个回路(如,虚线所示)。由于穿过薄壳截面的磁通量都在不断变化,因此,在相当于每层薄壳的回路中都将激起感应电动势,形成环形感应电流,即涡流iw。由于金属导体电阻很小,涡流很大,所以热效应极为显著。设感应线圈中通有交变电流i=I0sin(ωt)=I0sin(2πft)(其中,I0为电流振幅,ω、f分别为交变电流的角频率和频率)。根据毕奥-萨伐尔定律dB=μ0idlsin(di,r)/(4πr2),式中,μ0为真空的磁导率,idl为电流元,r为电流元到给定点的距离,(di,r)为电流元的方向和由电流元到给定点的位矢之间的夹角。即磁感强度B∝i,则其变化率为dB/dt∝di/dt=(2πI0)fcos(2πft)。对已知的钻杆管体圆环横截面积S来说,穿过的磁通量为ϕM=BS,根据法拉第电磁感应定律ξi=-dϕM/dt=-(dB/dt)S∝-(2πI0S)f·cos(2πft)∝f。在任一时刻,感应电动势ξi与频率f成正比,即ξi∝f,由闭合电路的欧姆定律iw=ξi/R,即iw∝ξi。那么,涡流电流与交变电流频率成正比,即iw∝f。根据焦耳定律的热量公式Q=0.24iw2Rt,则Q∝f2。由此得出,涡电流产生的热量与交变量流频率的平方成正比。为了满足对钻杆焊缝及热影响区快速、均匀加热的工艺要求,显然不能采用工频(50Hz),但频率太高会产生肌肤效应,管体心部在短时间内达不到所需温度,因此,采用中频加热。4感应加热试验的特点1)若提高涡流效应,则管体内产生的感应电动势ξi尽可能大,可通过增大磁通(即增大感应线圈中的电流i)或提高感应线圈中的电流频率f来实现。2)感应加热速度极快,相变过程中的铁、磁原子来不及扩散,因而珠光体转变为奥氏体的相变温度升高,相变温度范围扩大,故感应加热的热处理温度比普通加热高几十度。3)感应加热时间很短,奥氏体晶粒细小而均匀,淬火后可获得极细的马氏体