油套管高溫試驗及熱處理裝置研制與應(yīng)用*

賈盼龍,李東風(fēng),賈春龍,韓 軍,王 蕊,張 樂,楊鵬舉

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司,國家市場監(jiān)管重點實驗室(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發(fā),井下溫度通常會隨著井深的增加而升高,油套管服役溫度在不斷升高,使用溫度達到150～240 ℃[1]。為降低苛刻環(huán)境下油套管失效風(fēng)險,需要對油套管進行軸向載荷、彎曲、內(nèi)外壓及溫度的復(fù)合加載試驗[2],用以模擬井下管柱服役環(huán)境,對油套管進行適用性評價,實現(xiàn)油套管安全可靠選材[3]。如何實現(xiàn)油套管的高溫模擬環(huán)境是本文研究的重點問題。

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]運用中頻感應(yīng)加熱技術(shù)實現(xiàn)制動梁架鋼件的加熱,溫度可達950 ℃;金強[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中,溫度達700 ℃;孫國輝[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。本文研制開發(fā)了一套串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置,實現(xiàn)油套管復(fù)合加載試驗時高溫模擬環(huán)境,考慮到在試驗前,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,保證試樣加熱的同時可進行焊接熱處理,通過參數(shù)計算和工藝設(shè)計提升系統(tǒng)的操作便捷性和適用性,試驗證實此裝置可實現(xiàn)快速準(zhǔn)確控制溫度及多功能使用。

1 電源設(shè)計研究

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)加熱裝置拓撲結(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、控制和保護部分。

圖1 串聯(lián)型IGBT中頻感應(yīng)加熱裝置拓撲結(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),針對串聯(lián)諧振逆變器的過流保護問題采用穩(wěn)定可靠的電流保護電路。

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,通過半波整流或全波整流將交流電信號轉(zhuǎn)換為直流電信號,然后通過濾波電路去除直流電信號中的噪聲和雜波。

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,運用脈沖頻率調(diào)制,在串聯(lián)橋式逆變電路中,諧振負載的等值阻抗為:

(4)

負載等值阻抗的模值為:

(5)

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

(6)

當(dāng)f=f0時|Z|最小,輸出功率最大,控制逆變器功率使得開關(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,直流電壓偏低,且負載阻抗不匹配時,電源不能滿功率輸出。因此本設(shè)計采用電壓調(diào)功和功率調(diào)功相結(jié)合,當(dāng)定電位器在20%～100%范圍時采用逆變調(diào)頻調(diào)功技術(shù),當(dāng)其低于20%時,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,并且對不同負載適應(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發(fā)生短路現(xiàn)象,產(chǎn)生電流尖峰,從而造成開關(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)動信號之間留有一定的死區(qū)時間。最佳死區(qū)時間應(yīng)包括器件關(guān)斷時間和輸出電容放電時間之和。根據(jù)理論推導(dǎo),最佳死區(qū)時間為:

(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)場負載頻率送給控制器即可自動計算調(diào)節(jié)死區(qū)的大小。

1.4 控制保護

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、晶閘管觸發(fā)等核心控制環(huán)節(jié)。

針對電源保護,系統(tǒng)除控制電源故障和欠水壓保護等常規(guī)保護外,設(shè)計交流過流保護、直流過流保護、失鎖保護、散熱板溫度保護等。

2 工藝設(shè)計

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

2.1 參數(shù)選擇

考慮到系統(tǒng)的同步多功能運行,設(shè)計獨立三通道,設(shè)計管徑范圍:Φ60 mm～Φ150 mm,部分高溫試驗帶外壓缸,設(shè)計最大外壓缸Φ354 mm×76 mm,最常用加熱溫度為180 ℃,設(shè)計按照240 ℃計算。

1)頻率選擇

對于加熱至240 ℃的鋼管來說,加熱屬于冷態(tài),為達到均溫透熱,電源頻率選擇為 600～1 000 Hz[4],此時加熱深度約為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算:

(9)

加熱電源實際需要輸出功率為:

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為時間,s;η為系統(tǒng)加熱效率。

液壓缸:Φ354 mm×76 mm,加熱長度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。

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

考慮系統(tǒng)的多通道同步運行,同時完成油套管高溫試驗和焊接熱處理,增加系統(tǒng)的實用性,IGBT中頻加熱電源采用獨立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)電壓獨立控制模式,該模式可以獨立調(diào)節(jié)3通道電源的輸出功率。電源的整體運行穩(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問題,啟動成功率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,進行內(nèi)循環(huán)降溫,水箱水溫由外接循環(huán)水進行降溫,電源冷卻未開啟時無法實現(xiàn)加熱,保證系統(tǒng)安全運行。

2.4 試樣降溫

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

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

IGBT中頻加熱電源采用整流/逆變一體化設(shè)計,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,將強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)采用西門子S7-1500系列PLC,并配套HMI人機交互系統(tǒng),可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)監(jiān)控和溫度的PID自動控制[12],配備本地觸摸屏控制和遠程控制,根據(jù)用戶需求高效操作。

為實現(xiàn)遠程控制,系統(tǒng)配套基于Labview的遠程控制軟件,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、報警復(fù)位控制按鈕,可單獨控制3個通道,每個通道設(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設(shè)定好目標(biāo)溫度和PID參數(shù)后即可自動升溫。開啟加熱前,需開啟電源冷卻,使水壓報警消除,才能開啟三路加熱,保證電源正常平穩(wěn)運行。需要降溫時,停止加熱,開啟噴淋,噴水降溫。

4 試驗測試

為驗證裝置的實驗?zāi)芰?特對成型裝備進行最高溫測試、升溫及穩(wěn)定性測試、升降溫循環(huán)測試。

4.1 最高溫測試

采用Φ139.7 mm×9.17 mm的鋼管,外部包裹保溫層后纏繞電纜,所得測試最高溫曲線如圖5所示,系統(tǒng)實現(xiàn)最高設(shè)計溫度650 ℃,滿足試驗和焊接熱處理需求,且同時使用1、3通道進行升溫,保證獨立控制,實現(xiàn)設(shè)備的多功能使用。

圖5 最高溫測試實物及曲線

4.2 升溫速率及穩(wěn)定性測試

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量缸外壁溫度,系統(tǒng)在18 min可升溫至180 ℃,經(jīng)過PID整定后系統(tǒng)溫度趨于穩(wěn)定,溫度波動在±3 ℃,所得測曲線如圖6所示。

圖6 升溫測試實物及曲線

4.3 升降溫循環(huán)測試

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)可快速實現(xiàn)升溫和降溫,曲線如圖7所示。

圖7 多次溫度循環(huán)測試曲線

5 結(jié) 論

本文通過電源設(shè)計優(yōu)化,提升電源負載適應(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程軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體操作簡單、使用方便,能夠快速實現(xiàn)金屬管的高溫試驗升降溫流程,最高溫可至650 ℃,可用于焊接熱處理,通過PID參數(shù)整定,可實現(xiàn)溫度波動在±3 ℃,可滿足油套管適用性評價高溫環(huán)境模擬的需要,同時也可應(yīng)用于焊接熱處理等高溫需求場合。