TAV真空鋁釬焊爐加熱系統(tǒng)故障處理

張 頡

（上海歐菲濾清器有限公司熱交換器部 上海）

一、TAV真空鋁釬焊爐加熱系統(tǒng)

兩臺意大利TAV公司TBHA45/180/365型鋁板翅片熱交換器真空釬焊爐（以下簡稱真空釬焊爐），真空釬焊爐額定加熱功率800 kW，熱量在真空環(huán)境中主要通過熱輻射方式傳遞。真空釬焊爐加熱系統(tǒng)由鎳鋼加熱帶、變壓器、可控硅功率調(diào)節(jié)器、帶有電動執(zhí)行器的電源主斷路器、熱電偶及PLC溫度模擬量信號采集模塊、PLC溫度控制及人機(jī)界面（HMI）軟件、冷卻水系統(tǒng)等組成。加熱區(qū)域分成23個子區(qū)域，各區(qū)因位置不同，額定加熱電流29～232 A。除前、后爐門以及底部、頂部8個子區(qū)域各由一組加熱帶構(gòu)成外，其他15個子區(qū)都是由左加熱帶和右加熱帶兩組并聯(lián)組成。每個加熱子區(qū)溫度探測使用兩只礦物絕緣金屬護(hù)套K型熱電偶（CTC和STC），在爐子中部的5區(qū)和11區(qū)安裝兩只超溫檢測熱電偶（OTC），其信號傳送給超溫控制器。爐子升溫時，溫度設(shè)定值以每分鐘階躍幾度的遞增方式變化，同時PLC將與該溫度設(shè)定值對應(yīng)的上限設(shè)定值發(fā)送給超溫控制器，一旦有6個以上CTC或STC溫度超過設(shè)定的上限或下限溫度值，或者某一只OTC探測到的溫度超過超溫控制器的溫度限值范圍，則整個加熱系統(tǒng)自動停止。加熱控制信號由準(zhǔn)備信號和功率調(diào)節(jié)信號共同組成，前者驅(qū)動主加熱斷路器合閘為加熱系統(tǒng)通電，后者為每個子區(qū)的功率調(diào)節(jié)器提供可控硅導(dǎo)通角信號。

二、加熱系統(tǒng)故障處理

1.頻繁擊穿功率調(diào)節(jié)器可控硅

公司第一臺釬焊爐F1試機(jī)階段，釬焊爐在冷爐啟動瞬間，動力配電柜內(nèi)變壓器發(fā)出非常響的電流噪聲，且可聽到電容補償柜內(nèi)接觸器吸合的“砰砰”響聲。釬焊爐運行過程中，總是隨機(jī)燒壞1只加熱功率調(diào)節(jié)器的可控硅。廠家調(diào)試人員檢查加熱系統(tǒng)中的各項元件及動力線路接線后，判斷是工廠電源不穩(wěn)定所致。公司相關(guān)人員監(jiān)測工廠電源質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)釬焊爐啟動過程中，低壓配電系統(tǒng)中電流諧波成分相當(dāng)大（表1，Irms是電流有效值；Urms為電壓有效值；THD是總諧波失真）。真空爐自身配有的50 kvar×8分組投切電容補償柜，其響應(yīng)速度有些滯后且投切過程中會產(chǎn)生很大涌流，在爐子持續(xù)加熱過程中甚至有過補（負(fù)功率因素）現(xiàn)象。因此單憑這組電容補償柜很難消除電源諧波引起的瞬間電壓波動，這也就是功率調(diào)節(jié)器可控硅頻繁擊穿的原因。采取兩項應(yīng)對措施：①廠家將調(diào)功器內(nèi)部電源濾波及穩(wěn)壓功能的1塊集成電路板01PCA145-01，更新為增強(qiáng)型02PCA145-01電路板；②加裝1臺300 A的有源濾波柜UPQC-300F/4-300-400。實施兩項措施后，3年來未再出現(xiàn)擊穿功率調(diào)節(jié)器可控硅的現(xiàn)象，而且加熱速率也可提高至50℃/min。

表1 電源質(zhì)量監(jiān)測

大功率可控硅調(diào)控的多區(qū)域電加熱設(shè)備，在設(shè)計階段必須要考慮可控硅調(diào)控導(dǎo)致的電源波動因素，并且采取有效的諧波消除措施，使設(shè)備在實際運行中正常工作。

2.爐門個別加熱區(qū)域升溫慢

2012年5月開始，釬焊爐F1后門上部加熱區(qū)（18區(qū)）在高溫階段升溫速度比其他區(qū)域慢，而且這個溫度差隨著時間推移越來越明顯（圖1）。真空釬焊爐對溫度均衡度的要求極高，必須查明問題根源并消除溫差。維修人員測量18區(qū)低溫及高溫升溫段功率調(diào)節(jié)器最大導(dǎo)通角時的電流，并與后爐門下部區(qū)域19區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，未見異常。不放釬焊架進(jìn)行升溫操作，發(fā)現(xiàn)18區(qū)沒有問題。更換18區(qū)的CTC后，其溫升異?，F(xiàn)象消失。換下的熱電偶送專業(yè)計量檢測公司檢測，確認(rèn)熱電偶良好。分析推斷，更換熱電偶改變的只是熱電偶位置，位置才是出現(xiàn)問題的關(guān)鍵因素。放入釬焊架并開啟后爐門檢查，發(fā)現(xiàn)若是調(diào)整熱電偶端頭位置，熱電偶端頭會處在釬焊架的部分陰影區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致熱電偶頭不能得到應(yīng)有的熱輻射。另外，根據(jù)熱輻射量原理，物體的熱輻射能力與絕對溫度的四次方成正比，同樣的溫升，爐子在高溫段時加熱器同樣時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射量要比低溫段時要多，則同樣陰影遮擋的面積和不遮擋面積內(nèi)的熱輻射差在上述兩種情況下也將相差很多。這也就是18區(qū)總是在高溫階段升溫時比別的區(qū)域慢很多，而在低溫階段升溫時無此現(xiàn)象的原因。真空釬焊爐的熱傳導(dǎo)方式是熱輻射，在維修保養(yǎng)真空釬焊爐加熱系統(tǒng)時一定要了解熱輻射的相關(guān)特性，并采取相應(yīng)維修對策。通過摸索，重點要做好以下3點。

圖1 時間—溫度曲線

（1）定期檢查熱電偶的位置（位置會影響到熱輻射接收能力）。制作1只特殊卡規(guī)塊（圖2），可方便檢查和確定熱電偶與加熱帶的相對位置。

（2）定期檢查加熱器后面的反射板，若反射板完全變黑則需要清潔其表面黑色污垢（理論上黑色物體的熱輻射反射能力為零）。

（3）定期校驗真空釬焊爐內(nèi)部加熱區(qū)內(nèi)的溫度均衡度（各區(qū)熱電偶經(jīng)過長期工作，其溫度不一定能代表真正的加熱區(qū)溫度，有時雖然通過卡塊未發(fā)現(xiàn)熱電偶的位置變化，但是由于熱輻射的其他一些影響因素，也可能導(dǎo)致此熱電偶控制的加熱區(qū)溫度與別的區(qū)域相差偏大）。在無工件的釬焊架上放置 9只熱電偶，熱電偶擺放在釬焊架各層的中央位置，且垂直段高度一致，然后啟動加熱。記錄300℃和600℃兩個保溫段保溫20 min后9只熱電偶的測量值，分析真空釬焊爐加熱區(qū)內(nèi)的均衡度，將9只熱電偶測量值最大差值＜6℃定義為均衡度很好。此項檢查每季度執(zhí)行一次。通過上述措施，因溫升異常導(dǎo)致的焊接報廢率突變事故發(fā)生率明顯降低。

圖2 熱電偶相對加熱器的位置卡規(guī)塊

3.加熱器連線電纜壓線鼻處異常燒斷

靠近5區(qū)左側(cè)加熱器的產(chǎn)品表面異常發(fā)白，判斷原因是焊接過程中熱量不足。檢查爐子溫度曲線記錄，未發(fā)現(xiàn)5區(qū)加熱曲線明顯異常。5區(qū)額定加熱電流232 A，變壓器次級也就是加熱電纜中的額定電流1100 A。檢查加熱線路發(fā)現(xiàn)，5區(qū)左側(cè)加熱器并用的兩根90 mm2軟電纜之一被燒斷，斷裂處位于線鼻尾端。懷疑是真空釬焊爐出廠時這根電纜與線鼻未壓緊，造成溫度異常并燒斷電纜。

修復(fù)故障線路并將其他所有加熱器接線檢查一遍，未發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象。2013年7月，5區(qū)右側(cè)又有1根90 mm2電纜燒斷，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢率增加。修復(fù)故障電纜，再次檢查所有電纜線鼻子，發(fā)現(xiàn)仍有個別壓線存在輕微松動，而且松動處電纜線鼻上的絕然保護(hù)套管都有些輕微焦黃，將松動線鼻都復(fù)壓一次。造成壓線鼻處松動的原因應(yīng)該是反復(fù)受熱膨脹所至。而且一旦出現(xiàn)線鼻與電纜咬合松動，結(jié)合處的溫度就會因為電阻值增大而迅速提升，進(jìn)而燒斷電纜。為避免此類故障再次發(fā)生，將每個加熱器接線柱上均粘上1只90℃示溫蠟片，規(guī)定每日點檢是否有示溫蠟片脫落。此后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)3起電纜頭溫度偏高的問題，并及時排除了故障隱患點，防止了電纜燒斷故障再次發(fā)生。

4.加熱電源總斷路器不能有效合閘

2013年初啟動第二臺真空釬焊爐F2試生產(chǎn)，7月25日F2的加熱總電源1600 A斷路器HC無法合閘。根據(jù)加熱電源主斷路器電路（圖3），分別測量合閘電機(jī)接觸器KQM1線圈電壓（約為AC 216 V）、合閘電機(jī)電源變壓器次級電壓（線號X20.1與X20.4間電壓，約為AC 110 V），均正常。當(dāng)啟動加熱準(zhǔn)備時，觀察到KQM1線圈正常得電，而且可聽到斷路器內(nèi)發(fā)出兩聲“砰”的響動。分離、檢查電動執(zhí)行器與斷路器，未見異常。安裝復(fù)原后，再次嘗試啟動HC，HC可正常工作。2013年8月，HC不能吸合現(xiàn)象再次出現(xiàn)并自行消失，經(jīng)分析，這是因欠壓脫扣器線圈溫度過高引起的偶發(fā)故障。

圖3 加熱電源主斷路器電路

2013年9月，第一臺釬焊爐F1的HC在自動運行程序時也出現(xiàn)不能吸合現(xiàn)象，嘗試可手動模式啟動HC。將整個設(shè)備關(guān)電重啟后，發(fā)現(xiàn)HC問題時好時壞。在線監(jiān)視HC的PLC程序，發(fā)現(xiàn)自動模式吸合HC的程序運行正常，而且每次HC吸合故障發(fā)生時，KQM1線圈均得電。自動和手動模式合閘HC的驅(qū)動動作一樣，只是每次手動嘗試前都運行一下自動模式，第二次驅(qū)動后HC能合閘的概率高。檢查HC驅(qū)動電路未發(fā)現(xiàn)異常。更換KQM1接觸器、電動執(zhí)行器，都沒有解決問題且合閘成功率越來越小，需要嘗試3到4次才能成功一次。持續(xù)觀測故障情況，研讀SIEMENS塑殼斷路器資料后發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時先聽到吸合聲音，后立即聽到脫扣聲音。該斷路器配有過電流脫扣器和欠壓脫扣器。每次合閘前加熱電路沒有電流，以及合閘后可保持正常工作，因此判斷過電流脫扣器應(yīng)良好，欠電壓脫扣器存在問題。一段時間后，再次測量KQM1線圈電壓，發(fā)現(xiàn)有時跌至約113 V。2013年10月，拆除故障HC的欠壓脫扣器，HC仍然不能一次順利合閘。單獨給拆下的欠壓脫扣器通電測試，發(fā)現(xiàn)其線圈吸合能力極弱，據(jù)此判斷欠壓脫扣器長期頻繁動作，已經(jīng)損壞了HC內(nèi)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。必須更換HC，才能徹底解決問題。

在新斷路器到貨前，采取臨時措施。將控制電動執(zhí)行器的KQM1常開觸點和常閉觸點斷開連線，將斷路器內(nèi)的一組輔助觸點（圖3中333-334與482-497）也斷開連線。用KQM1的那組觸點替代斷路器內(nèi)的那組輔助觸點，再將電動執(zhí)行器從斷路器上脫離，最后使用手柄將斷路器手動合閘。這樣修改缺陷是每批次生產(chǎn)結(jié)束后不能自動斷掉所有功率調(diào)節(jié)器的上端電源，但可啟動和關(guān)斷加熱系統(tǒng)，確保完成生產(chǎn)任務(wù)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)兩臺真空釬焊爐此類故障均發(fā)生在天氣較熱季節(jié)。F1發(fā)生故障前，給動力柜功率調(diào)節(jié)器區(qū)加裝機(jī)柜空調(diào)，為保證冷氣不被吹走，封堵動力柜上原有排氣風(fēng)扇及換氣口，其中包括離機(jī)柜空調(diào)安裝位置較遠(yuǎn)的斷路器柜子。結(jié)果導(dǎo)致F1 HC內(nèi)的欠壓脫扣線圈長期過熱，加速其老化失效。另外，分析發(fā)現(xiàn)欠壓脫扣器線圈的接線位置，其電源經(jīng)過6個觸點，這些觸點若發(fā)生接觸不良也容易導(dǎo)致欠壓脫扣器的電源電壓偏低。所以，更換HC及欠壓脫扣器時，將欠壓脫扣器原來接在029位置的線改到TR24次級保險絲后部，同時恢復(fù)斷路器柜柜門排氣扇及排氣孔。

真空釬焊爐加熱系統(tǒng)既有其獨特性，也具備一般大功率電加熱設(shè)備的共性。維護(hù)保養(yǎng)時既可參考其他設(shè)備維修保養(yǎng)經(jīng)驗，也應(yīng)采取特殊方法。只有這樣，才能做好真空釬焊爐加熱系統(tǒng)維修保養(yǎng)工作。