HFW焊管生產中阻抗器和感應線圈的改進

郝向利,王海峰,張新民,褚程國

(中海石油金洲管道有限公司,浙江 湖州313000)

摘 要:為了解決高頻設備輸出功率不足的問題,對影響HFW 焊管生產線高頻設備焊接效率的因素進行了分析,主要對磁棒阻抗器和感應線圈進行了分析和改進。通過采用性能更好、橫截面更大的矩形磁棒替代原有的圓形磁棒,同時采用更小直徑的感應線圈,配合生產工藝的調整,在相同生產條件下降低了焊接功率,使高頻焊機的焊接效率得到提高。通過對原設備阻抗器和感應線圈的改進,提升了高頻焊接設備對X65 等高鋼級厚壁管的生產能力。

關鍵詞:高頻焊機;焊接效率;阻抗器;磁通量;感應線圈

0 前 言

近年來,隨著油氣管線輸送能力的不斷提高,鋼管壁厚也逐步增大。對于高頻直縫焊管生產來說,壁厚越大,高頻焊機同等速度焊接時需要的輸出功率也越高,而提高高頻焊機的輸出效率能在一定程度上解決高頻設備輸出功率不足的問題,以滿足厚壁管生產的設備需要。本研究以X65 鋼級 Φ610 mm×20.6 mm HFW 海底管線用管的生產為例,針對生產過程中的焊接問題,調整生產工藝,同時綜合分析高頻設備的焊接功率影響因素,主要通過改進磁棒阻抗器和感應線圈結構和材料性能,提高了高頻設備焊接的效能,利用現有的1 200 kW 高頻焊機以感應焊模式順利完成了1.5 萬t 海底管線用管的生產。

1 高頻焊接效率影響因素分析

1.1 頻率

高頻設備的頻率越高,集膚效應越強,高頻電流轉化效率越高。但隨著頻率升高,加熱深度會變淺,不利于厚壁鋼管的焊接。根據高頻焊管所用材料性能,一般鋼管生產的高頻焊機諧振頻率多為150 kHz 或200 kHz,焊機設備定型后該頻率便不再輕易改變,可歸為不可變因素。

1.2 V 形角

焊縫開口的V 形角越小,需要的焊接功率就會減小,較小的V 形角,使V 形角區域帶鋼邊部的鄰近效應變強,電流更集中。但V 形角太小容易導致“打火” 現象產生,影響焊接質量,一般焊接碳鋼時控制在 3°~4°,可通過調整導向輥厚度和焊接機架位置進行控制。

1.3 磁棒阻抗器

磁棒阻抗器的作用是在鋼管內獲得較大的電流阻抗,以便更多的電流聚集在V 形區域;同時按照工作線圈的電流來集中磁場,使大量的電流能量集中在V 形區。磁棒阻抗器在焊機效率提升中比較重要,可在鋼管內部有限空間內盡可能多地布置。

1.4 感應線圈

在焊接中,感應線圈產生感應磁場,將電能轉化為鋼管焊接的熱能。感應線圈對焊機的影響主要在其材質和尺寸大小,因焊接過程中焊接電流很大,感應線圈材質本身的電阻會消耗掉一部分能量,從而降低了感應傳遞的焊接電流,因此一般選用阻值較小的紫銅;感應線圈的大小也會影響傳遞效率,較小的感應線圈可以減少與鋼管間漏磁,提高效率。

綜合以上分析,高頻焊機的頻率一般已確定不便更改;V 形角可以通過導向輥和焊接機架調節,范圍變化相對較小,可即時現場調整;相對來說,磁棒阻抗器和感應線圈對能量轉換效率影響較大,主要從這兩方面進行改進。

2 磁棒阻抗器的改進

2.1 磁棒阻抗器的作用

與常規感應加熱的不同在于,鋼管焊接從焊點起沿軸向在管坯上有一個3°~4°的 V 形開口,此開口切斷了感應電流在管坯上的正常回路,而使其分成兩支,其主要部分沿V 形口流向焊點,在鄰近效應作用下密集于開口內側,并大量集中于焊點附近,少量則通過已焊管體閉合;另一小部分沿截面閉合,即線圈下方管坯外徑反向流動,并經管坯內徑返回閉合,如圖1 所示。V 形口兩側的電流,即加熱的主要電流是從一側邊緣經焊點附近繞過,從另一側返回,方向相反,使電流積聚于兩側的“△”層內(圖1 中 ADC 截面區域)焊點處,在集膚效應和鄰近效應作用下使閉合處材料快速加熱,達到焊接目的。

圖1 感應電流分布示意圖

管坯內放置導磁材料制成的阻抗器,其作用有兩點:一是提高系統的供電效率和功率因數,阻抗器的置入相當于給線圈內增加了一個磁路未閉合的鐵芯,減少了主要加熱電流系統的磁阻,因而能提高電效率和功率因數;二是減少沿截面閉合部分電流的比例,從而相對增加了加熱用的主電流。

加入磁棒后磁通量可表示為

式中:φ——總磁通量;

φ1——鋼管壁中磁通量;

φ2——磁棒中磁通量;

φ3——其余空中磁通量;

B0′——放入磁棒后的真空磁感應強度;

S——線圈的橫截面積;

S1——鋼管的橫截面積;

S2——磁棒的橫截面積;

μ——鋼管的起始磁導率;

μ——磁棒的起始磁導率。

磁棒阻抗器置入后使得焊接區域的磁通量重新分布,使感應產生的沿V 形區域反向流動的主加熱電流回路的磁通量φ2 大大加強。在感應線圈產生的總磁通量不變的情況下,管體經截面流動的環向電流包裹的磁通量φ1 相對減少,因而減少了對焊接加熱無關的截面環流,相應提高了主加熱電流,提高了高頻焊機焊接時的效率。

因此從理論上來說,提高磁棒中磁通量有兩種方法:一是研發磁導率更高的鐵磁材料;二是適當增加磁棒的橫截面大小(受限于管內空間大小)。

2.2 磁棒阻抗器的布置要求

磁棒阻抗器的長度一般要求大于“擠壓輥的直徑+感應圈的長度”,放置于擠壓輥中心到感應圈之前,如圖2 所示。一般集中靠近于V 形區域之下,距管體內表面約一個壁厚距離時效率最高,而布置于管內底部效率低且容易被損壞,通常對于中大規格的鋼管焊接時不在管內底部布置磁棒阻抗器。

圖2 磁棒阻抗器安裝位置

2.3 磁棒的選用

為了使磁棒有效地提高感應線圈中的磁通量,首先其磁導率要高,磁棒通常以起始磁導率來標定該量。當感應線圈產生的交變磁場幅值太大時,磁棒會達到飽和磁化,這時再進一步增加交變磁場,磁棒便失去了進一步增大的效能。因此,對于功率較大的高頻焊機,應該采用飽和磁通密度較高的磁棒。另一方面,在焊接過程中,磁棒因受熱而溫度升高,當磁棒的溫度達到居里溫度(Tc)時,磁棒便失去鐵磁性而表現出順磁行為,當磁棒的溫度接近居里溫度時,磁棒的磁導率就會下降,磁棒的功能被嚴重降低。為了確保磁棒在高速焊接的工作溫度下仍具有較高的磁導率,就要求磁棒具有較高的居里溫度。特別是對于輸出功率大、焊接速度高的高頻焊機更是如此,居里溫度也就成為標志磁棒性能的重要技術指標之一。

從磁棒本身來說,增加磁通量,磁棒直徑或截面大一點更好。但從磁棒實際使用來說,為使使用過程中磁棒工作在性能良好的區域(溫度遠離失磁的居里溫度),對其冷卻時則希望磁棒截面小一點、通冷卻水的空心直徑大一點,但在實際選擇時通常將兩者綜合考慮,即保證足夠通水的情況下磁棒截面盡可能的大。

現有設備磁棒阻抗器的布置受制于鋼管內部空間的大小,原HFW610 mm 生產線設計采用的是 Φ20 mm 圓形磁棒,沿圓周布置,Φ273 mm及以下規格焊管生產時滿圈布置,Φ323 mm 及以上規格焊管半圓布置(如圖3 所示)。

圖3 原設備圓形磁棒布置形式

結合鋼管內部空間大小,從磁通量增加和磁棒居里溫度方面考慮,經過多次對比試驗后,確定采用尺寸更大、晶粒細小密實、磁導率和居里溫度更高的矩形磁棒代替原設備的圓形磁棒,同時達到增加內部磁棒橫截面的目的,相當于增加磁棒數量的效果。矩形磁棒布置形式如圖4 所示,選用的某品牌矩形磁棒參數見表1,圖5 為圓形磁棒和矩形磁棒的現場布置照片。另外,在磁棒的冷卻方面增大了磁棒表面的水槽,加大內部冷卻水流量,提高冷卻水壓達0.25 MPa 以上,使磁棒在工作時產生的熱量能被及時帶走,確保了磁棒的工作溫度始終控制在居里溫度以下,使磁棒的性能得到充分保障。

圖4 改進后的矩形磁棒布置形式

表1 矩形磁棒技術參數

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圖5 生產現場磁棒布置效果

2.4 阻抗器改進前后磁棒截面積對比

以Φ610 mm 規格焊管為例,采用圓形磁棒和矩形磁棒的截面積計算結果見表2。

從表2 可以看出,矩形磁棒的總截面積比圓形磁棒增加了5 016 mm2,在兩者長度保持不變的情況下磁棒的有效截面增加了66%,效果明顯。

表2 圓形磁棒和矩形磁棒的截面積計算結果

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3 感應線圈的改進

在感應焊模式中,感應線圈的大小與材質是兩個重要因素,一般采用C 形圈組合成圓形的形式。根據磁場環形效應對感應線圈的影響,感應線圈采用1.5 mm 厚無氧紫銅板成型制作,同時在外表面分布紫銅管,通水冷卻,以保證感應線圈工作時的溫度控制在合理范圍內(如圖6 所示)。放置時使感應線圈盡量貼近鋼管外壁,一般距離為25~50 mm,為防止管壁接觸到感應線圈,在感應線圈內圈包裹聚四氟乙烯板進行絕緣。以Φ610 mm 規格焊管為例,原感應線圈直徑為737 mm,長度533 mm,改進后直徑減小為695 mm,長度仍保持533 mm,更好地滿足生產使用要求。其他規格的感應線圈改進方式類似。

4 改進后效果

經過對磁棒阻抗器和感應線圈的改進,高頻設備的熱效能相應提高。阻抗器因選用了較大磁導率、較高居里溫度的材料,同時加大了磁棒截面積并改善了冷卻條件,磁棒工作性能得到明顯提高;通過減小感應線圈內徑、采用較好的紫銅材質、內圈包裹絕緣材料等手段,提高了熱轉換效率,杜絕了感應線圈與管體接觸打火等對焊接質量的影響。經過這兩方面的改進和V 形角的調節,極大地提高了阻抗器工作時的磁通量,減少了感應線圈與管體間的漏磁空間,在相同條件下焊接功率減小了60~100 kW。如生產Φ610 mm×20.6 mm 規格焊管時,焊接功率由1 180 kW 減小至1 080 kW,Φ457 mm×17.5 mm 規格焊管由1 050 kW 降至970 kW。綜合不同規格焊管生產情況,焊接效率平均提高8%左右。

圖6 感應線圈布置示意圖

5 結束語

在焊機總功率一定的情況下,通過對高頻焊機的效率研究分析,針對性地對磁棒阻抗器和感應線圈進行了改進,采用性能更好、橫截面更大的矩形磁棒和更小直徑的感應線圈,配合生產工藝的調整,在相同條件下降低了焊接功率,使高頻焊機的焊接效率得到提高,磁棒阻抗器和感應線圈的改進對厚壁鋼管的生產發揮了重要作用。

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Improvement of Impedor and Induction Coil in HFW Welded Pipe Production

HAO Xiangli, WANG Haifeng, ZHANG Xinmin, CHU Chengguo
(CNOOC KINGLAND Pipeline Co., Ltd., Huzhou 313000, Zhejiang, China)

Abstract: In order to solve the problem of the insufficient output power of the high-frequency equipment, the factors affecting the welding efficiency of high-frequency equipment in HFW pipe production line are analyzed.The magnetic rod impedor and induction coil are mainly analyzed and improved.By using a better rectangular magnetic rod with the larger cross-section instead of the circular magnetic rod, and adopting smaller diameter induction coil, the welding power is reduced under the same production conditions and the efficiency of the high frequency welder is improved with the adjustment of the production process.By improving the impedor and the induction coil of the original equipment, the production capacity of the high frequency welding equipment for X65 grade thick-walled pipe is increased.

Key words: high frequency welder; welding efficiency; impedor; magnetic flux; induction coil

中圖分類號:TG438.2

文獻標識碼:B

DOI: 10.19291/j.cnki.1001-3938.2019.8.011

作者簡介:郝向利(1966—),男,工程師,主要從事焊管生產設備管理和技術改造等工作。

收稿日期:2019-02-11

編輯:黃蔚莉

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