賈盼龍,李東風(fēng),賈春龍,韓 軍,王 蕊,張 樂(lè),楊鵬舉

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司,國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石油管及裝備質(zhì)量安全) 陜西 西安 710077; 2.陜西省天然氣股份有限公司 陜西 西安 710016; 3.長(zhǎng)慶油田公司第六采氣廠 陜西 西安 710018)

0 引 言

隨著深井超深井的開(kāi)發(fā),井下溫度通常會(huì)隨著井深的增加而升高,油套管服役溫度在不斷升高,使用溫度達(dá)到150～240 ℃[1]。為降低苛刻環(huán)境下油套管失效風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)油套管進(jìn)行軸向載荷、彎曲、內(nèi)外壓及溫度的復(fù)合加載試驗(yàn)[2],用以模擬井下管柱服役環(huán)境,對(duì)油套管進(jìn)行適用性評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)油套管安全可靠選材[3]。如何實(shí)現(xiàn)油套管的高溫模擬環(huán)境是本文研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

中頻感應(yīng)加熱在鑄造熱處理行業(yè)已經(jīng)有廣泛應(yīng)用,張海軍等[4]運(yùn)用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)梁架鋼件的加熱,溫度可達(dá)950 ℃;金強(qiáng)[5]等將中頻感應(yīng)加熱應(yīng)用到重型加氫反應(yīng)器超厚板局部熱處理試驗(yàn)中,溫度達(dá)700 ℃;孫國(guó)輝[6]等使用電磁感應(yīng)加熱完成核電蒸汽發(fā)生器管板堆焊預(yù)熱處理。本文研制開(kāi)發(fā)了一套串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置,實(shí)現(xiàn)油套管復(fù)合加載試驗(yàn)時(shí)高溫模擬環(huán)境,考慮到在試驗(yàn)前,在油套管上焊接連接堵頭是必不可少的環(huán)節(jié),此裝置采用三通道集成設(shè)計(jì),保證試樣加熱的同時(shí)可進(jìn)行焊接熱處理,通過(guò)參數(shù)計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)的操作便捷性和適用性,試驗(yàn)證實(shí)此裝置可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確控制溫度及多功能使用。

1 電源設(shè)計(jì)研究

中頻感應(yīng)加熱電源作為1種交直交電源變換裝置,其原理是利用電磁場(chǎng)在工件表面引起的渦流損耗,將工頻電能整流以后逆變成為中頻電能,使工件快速升溫[7]。串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[8],主要包括整流器、直流濾波、諧振逆變器、諧振槽路、控制和保護(hù)部分。

圖1 串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,整流器采用三相橋式晶閘管全控整流電路;直流側(cè)采用電容濾波以滿(mǎn)足串聯(lián)諧振逆變器的工作要求,逆變器采用大功率單相H橋逆變結(jié)構(gòu),槽為串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu),針對(duì)串聯(lián)諧振逆變器的過(guò)流保護(hù)問(wèn)題采用穩(wěn)定可靠的電流保護(hù)電路。

圖2 串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置主電路框圖

1.1 整流濾波

整流濾波電路是基于半導(dǎo)體器件特性,通過(guò)半波整流或全波整流將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào),然后通過(guò)濾波電路去除直流電信號(hào)中的噪聲和雜波。

三相全控橋式整流電路輸出電壓為:

Ud=1.35U1cosα

(1)

電源交流進(jìn)線電流為:

I1=0.816Id

(2)

電源網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為:

λ=0.955cosα

(3)

式中:Ud為輸出直流電壓,V;Id為電流平均值,A;U1為交流線電壓,V;I1為相電流,A;α為晶閘管觸發(fā)延時(shí)角,(°);λ為網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

1.2 逆變器

逆變器采用300 A/1 200 V大功率單相串聯(lián)橋式逆變電路設(shè)計(jì),運(yùn)用脈沖頻率調(diào)制,在串聯(lián)橋式逆變電路中,諧振負(fù)載的等值阻抗為:

(4)

負(fù)載等值阻抗的模值為:

(5)

當(dāng)負(fù)載阻抗的R、L、C不變時(shí),負(fù)載阻抗的模值|Z|隨頻率f的關(guān)系呈V型曲線。其中,負(fù)載的諧振頻率為:

(6)

當(dāng)f=f0時(shí)|Z|最小,輸出功率最大,控制逆變器功率使得開(kāi)關(guān)器件工作在弱感性狀態(tài)即諧振頻率f>f0,在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)頻率即可完成功率調(diào)節(jié)。

1.3 功率調(diào)節(jié)

電源的輸出功率,可用式(7)表示[9]:

(7)

式中:Ud為輸出直流電壓,V;Id為輸出電流平均值,A;R為負(fù)載電阻,Ω。

由式(7)可知控制晶閘管相角調(diào)節(jié)整流輸出電壓即可完成功率調(diào)節(jié),但功率給定較小時(shí),直流電壓偏低,且負(fù)載阻抗不匹配時(shí),電源不能滿(mǎn)功率輸出。因此本設(shè)計(jì)采用電壓調(diào)功和功率調(diào)功相結(jié)合,當(dāng)定電位器在20%～100%范圍時(shí)采用逆變調(diào)頻調(diào)功技術(shù),當(dāng)其低于20%時(shí),采用調(diào)壓調(diào)功,功率調(diào)節(jié)曲線如圖3所示。該方法顯著改善電源的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、減小諧波電流,并且對(duì)不同負(fù)載適應(yīng)能力大大提高。

圖3 單相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)及波形

由于系統(tǒng)的直流側(cè)可以等效為直流電壓源,如果上下橋臂直接通路會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象,產(chǎn)生電流尖峰,從而造成開(kāi)關(guān)器件IGBT模塊的損壞。為了避免上下橋臂之間的直接通路,在兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間留有一定的死區(qū)時(shí)間。最佳死區(qū)時(shí)間應(yīng)包括器件關(guān)斷時(shí)間和輸出電容放電時(shí)間之和。根據(jù)理論推導(dǎo),最佳死區(qū)時(shí)間為:

(8)

由式(8)可知,由于確定的電源Ci不變,把中頻電壓、中頻電流和現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載頻率送給控制器即可自動(dòng)計(jì)算調(diào)節(jié)死區(qū)的大小。

1.4 控制保護(hù)

整流側(cè)控制電路由FPGA為核心,配合外圍電路共同構(gòu)成整流器雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器[10],恒功率控制、故障保護(hù)、晶閘管觸發(fā)等核心控制環(huán)節(jié)。

針對(duì)電源保護(hù),系統(tǒng)除控制電源故障和欠水壓保護(hù)等常規(guī)保護(hù)外,設(shè)計(jì)交流過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)流保護(hù)、失鎖保護(hù)、散熱板溫度保護(hù)等。

2 工藝設(shè)計(jì)

結(jié)合使用需求對(duì)裝置的重要參數(shù)、外部感應(yīng)器、電源降溫實(shí)現(xiàn)及試樣冷卻進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),保證設(shè)備能力達(dá)到試驗(yàn)及焊接熱處理所需。

2.1 參數(shù)選擇

考慮到系統(tǒng)的同步多功能運(yùn)行,設(shè)計(jì)獨(dú)立三通道,設(shè)計(jì)管徑范圍:Φ60 mm～Φ150 mm,部分高溫試驗(yàn)帶外壓缸,設(shè)計(jì)最大外壓缸Φ354 mm×76 mm,最常用加熱溫度為180 ℃,設(shè)計(jì)按照240 ℃計(jì)算。

1)頻率選擇

對(duì)于加熱至240 ℃的鋼管來(lái)說(shuō),加熱屬于冷態(tài),為達(dá)到均溫透熱,電源頻率選擇為 600～1 000 Hz[4],此時(shí)加熱深度約為1.5～2.2 mm,具有最佳的透入深度比[11]。

2)功率選擇

在確定頻率以后,影響加熱功率的因素主要有鋼管直徑、壁厚、初始溫度、最終加熱溫度、加熱時(shí)間以及鋼管和感應(yīng)器之間的間距。

加熱區(qū)吸熱功率可由下式計(jì)算:

(9)

加熱電源實(shí)際需要輸出功率為:

P=P0/η

(10)

式中:m為質(zhì)量,kg;C為比熱容,J/(kg· ℃);ΔT為溫度變化, ℃;t為時(shí)間,s;η為系統(tǒng)加熱效率。

液壓缸:Φ354 mm×76 mm,加熱長(zhǎng)度1 100 mm,外壓缸內(nèi)徑202 mm,內(nèi)置Φ140 mm×15 mm鋼管,中間填充導(dǎo)熱油,2 h加熱至240 °C,鋼管密度取7.85 kg/dm3,油密度取0.85 kg/dm3,鐵比熱取460 J/(kg·℃),計(jì)算可得m缸為690 kg,m油管為50 kg,m油為31 kg,由下式,取η=70%,可得電源輸出功率為18 kW。

(11)

鋼管:Φ150 mm×20 mm,加熱長(zhǎng)度600 mm,30 min加熱至240 °C,內(nèi)徑110 mm,內(nèi)置Φ100 mm鋁棒,中間填充高壓氣體,同理鋁棒密度取2.7 kg/dm3,可得鋼管重量39 kg、內(nèi)含鋁棒重量13 kg,需要電源功率為7.5 kW。

由上述計(jì)算并考慮留有一定的功率裕量,中頻感應(yīng)加熱電源每個(gè)通道功率應(yīng)選擇為 30 kW。

考慮系統(tǒng)的多通道同步運(yùn)行,同時(shí)完成油套管高溫試驗(yàn)和焊接熱處理,增加系統(tǒng)的實(shí)用性,IGBT中頻加熱電源采用獨(dú)立3通道加熱模式,功率均為30 kW。3通道電源為防止感應(yīng)器相互干擾,采用逆變側(cè)統(tǒng)一控制、直流側(cè)電壓獨(dú)立控制模式,該模式可以獨(dú)立調(diào)節(jié)3通道電源的輸出功率。電源的整體運(yùn)行穩(wěn)定、效率高,并且徹底解決了加熱不同鋼管直徑、壁厚條件下電源啟動(dòng)問(wèn)題,啟動(dòng)成功率100%。

2.2 外部感應(yīng)器

外部感應(yīng)器采用高溫導(dǎo)線密繞形式:1)在需加熱鋼管上安裝好溫度、壓力、位移等傳感器;2)纏繞20～30 mm厚的保溫層;3)保溫層外面密繞柔性高溫電纜,端部用絕緣材質(zhì)做好固定;4)把感應(yīng)器電纜的端部連接在電源柜的端部;5)開(kāi)始加熱。

2.3 電源降溫

感應(yīng)加熱電源降溫采用水冷形式,裝置主體配套水箱,進(jìn)行內(nèi)循環(huán)降溫,水箱水溫由外接循環(huán)水進(jìn)行降溫,電源冷卻未開(kāi)啟時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)加熱,保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2.4 試樣降溫

該系統(tǒng)采用自來(lái)水冷卻的方式進(jìn)行降溫,冷卻水流量3 m3/h。試樣降溫配置噴淋裝置均勻冷卻,可遠(yuǎn)程控制電磁閥開(kāi)閉。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

IGBT中頻加熱電源采用整流/逆變一體化設(shè)計(jì),采用FPGA和CPLD可編程芯片為核心構(gòu)成整流、逆變的數(shù)字化控制系統(tǒng),采用分區(qū)塊集成設(shè)計(jì),將強(qiáng)電部分與控制部分相隔離,減少電磁干擾,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)采用西門(mén)子S7-1500系列PLC,并配套HMI人機(jī)交互系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控和溫度的PID自動(dòng)控制[12],配備本地觸摸屏控制和遠(yuǎn)程控制,根據(jù)用戶(hù)需求高效操作。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,系統(tǒng)配套基于Labview的遠(yuǎn)程控制軟件,界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件主界面

該系統(tǒng)配備電源冷卻啟停、噴淋啟停、報(bào)警復(fù)位控制按鈕,可單獨(dú)控制3個(gè)通道,每個(gè)通道設(shè)有功率控制模式和溫度控制模式,功率控制模式下用戶(hù)可自行設(shè)置功率百分比,恒功率升溫;溫度控制模式下用戶(hù)設(shè)定好目標(biāo)溫度和PID參數(shù)后即可自動(dòng)升溫。開(kāi)啟加熱前,需開(kāi)啟電源冷卻,使水壓報(bào)警消除,才能開(kāi)啟三路加熱,保證電源正常平穩(wěn)運(yùn)行。需要降溫時(shí),停止加熱,開(kāi)啟噴淋,噴水降溫。

4 試驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?特對(duì)成型裝備進(jìn)行最高溫測(cè)試、升溫及穩(wěn)定性測(cè)試、升降溫循環(huán)測(cè)試。

4.1 最高溫測(cè)試

采用Φ139.7 mm×9.17 mm的鋼管,外部包裹保溫層后纏繞電纜,所得測(cè)試最高溫曲線如圖5所示,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高設(shè)計(jì)溫度650 ℃,滿(mǎn)足試驗(yàn)和焊接熱處理需求,且同時(shí)使用1、3通道進(jìn)行升溫,保證獨(dú)立控制,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的多功能使用。

圖5 最高溫測(cè)試實(shí)物及曲線

4.2 升溫速率及穩(wěn)定性測(cè)試

采用Φ139.7 mm×9.17 mm的鋼管,配套Φ354 mm×76 mm外壓缸,外部包裹保溫層后纏繞電纜測(cè)量缸外壁溫度,系統(tǒng)在18 min可升溫至180 ℃,經(jīng)過(guò)PID整定后系統(tǒng)溫度趨于穩(wěn)定,溫度波動(dòng)在±3 ℃,所得測(cè)曲線如圖6所示。

圖6 升溫測(cè)試實(shí)物及曲線

4.3 升降溫循環(huán)測(cè)試

采用Φ139.7 mm×9.17 mm的鋼管,配套Φ354 mm×76 mm外壓缸,外部包裹保溫層后纏繞電纜測(cè)量缸外壁溫度,升溫至180 ℃保溫10 min,然后降溫至50 ℃以下,重復(fù)多次,系統(tǒng)可快速實(shí)現(xiàn)升溫和降溫,曲線如圖7所示。

圖7 多次溫度循環(huán)測(cè)試曲線

5 結(jié) 論

本文通過(guò)電源設(shè)計(jì)優(yōu)化,提升電源負(fù)載適應(yīng)能力和系統(tǒng)可靠性,采用FPGA和CPLD可編程芯片為核心構(gòu)成整流、逆變的控制系統(tǒng),并配套噴淋降溫及遠(yuǎn)程軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體操作簡(jiǎn)單、使用方便,能夠快速實(shí)現(xiàn)金屬管的高溫試驗(yàn)升降溫流程,最高溫可至650 ℃,可用于焊接熱處理,通過(guò)PID參數(shù)整定,可實(shí)現(xiàn)溫度波動(dòng)在±3 ℃,可滿(mǎn)足油套管適用性評(píng)價(jià)高溫環(huán)境模擬的需要,同時(shí)也可應(yīng)用于焊接熱處理等高溫需求場(chǎng)合。