CN113141688A - 一种钢管多级感应加热的闭环控制装置及其闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钢管多级感应加热的闭环控制装置及其闭环控制方法，包括用以输送钢管的输送辊道，输送辊道上依次设有多级感应线圈，用以加热钢管外表面温度，还包括设于输送辊道的管道入口位置的测速仪；设于输送辊道的管道出口位置的显示测温仪；设于每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪，控温测温仪连有PLC，PLC与感应线圈上的中频电源相连；以及与测速仪、控温测温仪、PLC相连的控制中心，控制中心建立有闭环控制模型。本发明解决大口径UOE焊管外涂敷线感应加热过程存在钢管表面温度均匀性差、加热效率低、操作控制复杂等问题，有助于提高钢管涂敷质量、提高涂敷作业效率、降低焊管制造成本。

Description

一种钢管多级感应加热的闭环控制装置及其闭环控制方法

技术领域

本发明涉及钢管表面涂敷技术，更具体地说，涉及一种钢管多级感应加热的闭环控制装置及其闭环控制方法。

背景技术

世界能源的巨大需求推动了石油、天然气输送管线钢加工制造业的发展。特别是，海洋油气输送管处于复杂深海水下环境，对钢耐海水腐蚀性能的要求更高，在大口径焊管外表面连续自动涂敷防腐蚀保护层已成为高质量管线钢生产的主要趋势。在外涂敷生产中，钢管以连接器的方式头尾相接，以螺旋运动形式向前输送，钢管因规格不同轴向移动速度一般在1～2m/min。由于感应加热具有清洁、高效、设备占地面积小等优点，目前环氧树脂静电喷涂工艺多采取中频感应加热方式对钢管进行预热，依靠感应加热快速得到的热量使喷射到钢管表面的环氧树脂粉末在短时间内得以熔化、铺展并与钢管基体紧密结合在一起，在钢管表面形成一层厚100μm～300μm的耐环境腐蚀的保护涂层。此外，在环氧树脂的底层外还要包裹粘胶带中间层、聚乙烯胶带面层，涂覆层总厚度可以达到2～3mm，以保护钢管在运输、施工过程对内部涂层可能存在的机械损伤，而且外包敷层本身也具备一定抗腐蚀能力。根据环氧树脂涂层的熔覆特性，钢管外表面温度经过感应加热需要提升到180℃～240℃。在现有涂敷钢管的感应加热过程中，由于电源一般采用手动控制模式，操作者常常需要根据钢管材质、规格、机组速度、涂层种类等人工设定固定的电源输出功率(电压)，而最初抛丸处理引起的钢管基础温度变化、运动钢管偏离线圈中心、钢管的头尾温差、甚至季节变化等因素引起的管体温度变化无法及时准确调节感应加热电源功率，不仅造成现场操作复杂、管体加热温度命中率低，而且钢管在到达涂敷点时表面温度波动加大(严重的可以达到50℃以上)，甚至远远偏离最佳的涂敷工艺所要求温度，影响了静电喷涂涂层在钢管表面的熔覆质量及其均匀性，导致钢管在后续使用过程中可能发生各种涂层失效质量事故，经济损失巨大。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种钢管多级感应加热的闭环控制装置及其闭环控制方法，解决大口径UOE焊管外涂敷线感应加热过程存在钢管表面温度均匀性差、加热效率低、操作控制复杂等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种钢管多级感应加热的闭环控制装置，包括用以输送钢管的输送辊道，所述输送辊道上依次设有多级感应线圈，用以加热钢管外表面温度，还包括

设于所述输送辊道的管道入口位置的测速仪；

设于所述输送辊道的管道出口位置的显示测温仪；

设于所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪，所述控温测温仪连有PLC，所述PLC与所述感应线圈上的中频电源相连；

以及与所述测速仪、所述控温测温仪、所述PLC相连的控制中心，所述控制中心建立有闭环控制模型。

所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪具有若干个(也可以设置一个)，沿钢管的圆周向布置。

所述相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间呈错位设置。

另一方面，一种钢管多级感应加热的闭环控制方法，钢管经抛丸处理后，在输送辊道上以连接器方式头尾相连，在倾斜安装的锥形辊的驱动下，以螺旋运动向前输送，经过输送辊道上多级感应线圈加热钢管外表面温度，

由所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪测量并经过信号处理得到的钢管外表面温度T_in，以及由所述测速仪测量并经过信号处理得到的钢管轴向移动速度V_a，输入所述控制中心的闭环控制模型进行计算，所述控制中心输出计算结果，根据计算结果由所述PLC控制相应的所述感应线圈上的中频电源输出功率P，使钢管经过各级感应线圈的感应加热后温度逐步提高，并在出最后一级感应加热线圈后到达涂敷位置时，外表面温度能够准确均匀地达到涂层材料熔敷工艺所要求的180℃～240℃目标；

闭环控制模型的计算如下：

P＝f(T_in,V_a)。

5.所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪沿钢管圆周向布置n个，各个控温测温仪测量的钢管表面温度经过平均运算取平均值作为闭环控制模型的输入钢管表面温度T_in，即

T_in＝(T₁+T₂+……T_n)/n，n的数量较佳可选2。

所述相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间呈错位设置，控温测温仪之间形成夹角Φ，夹角Φ控制如下：

Φ＝360×(ωL/V_a-int(ωL/V_a))

上式中，ω为钢管旋转速度，V_a为钢管轴向运动速度，L为相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间的间距，int()为取整函数。

本发明所提供的一种钢管多级感应加热的闭环控制方法，改善了外涂敷线UOE焊管表面感应加热温度的均匀性与准确性，提高了现场自动化作业生产效率，对保证大口径焊管外涂层质量及降低涂敷成本有积极效果。

附图说明

图1是本发明闭环控制装置的连接框架示意图；

图2是本发明闭环控制方法中钢管轴向温度不均匀的闭环控制过程示意图；

图3是本发明闭环控制方法中钢管圆周向温度不均匀的闭环控制过程示意图；

图4是本发明闭环控制装置中的控温测温仪安装示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明所提供的一种钢管多级感应加热的闭环控制装置，包括用以输送钢管1的输送辊道2，输送辊道2上依次设有多级感应线圈3(图1中设置了4级感应线圈3，分别为1#线圈、2#线圈、3#线圈和4#线圈)，用以加热钢管1外表面温度，还包括

设置于输送辊道2的管道入口位置的测速仪4；

设置于输送辊道2的管道出口位置的显示测温仪5；

设置于每一级感应线圈3的管道入口位置的控温测温仪6，控温测温仪6连接PLC7，PLC7又与感应线圈3上的中频电源8相连，用以控制中频电源8的输出功率；

以及与测速仪4、控温测温仪6、PLC7相连的控制中心9，在控制中心9内建立闭环控制模型。

每一级感应线圈3上的中频电源8频率均设定在1000Hz左右，其输出功率P根据该级钢管入口处由控温测温仪6测量并经过信号处理得到的钢管外表面温度T_in、以及由测速仪4测量并经过信号处理得到的钢管轴向移动速度V_a输入控制模型经过计算确定。

闭环控制模型计算为：

P＝f(T_in,V_a) (1)

使得钢管2到达涂敷位置时外表面温度处于180℃～240℃，满足环氧树脂熔覆、外层包裹及冷却固化等外涂敷工艺的温度要求。

具体地，对于某一级的感应线圈3加热，如图2所示，钢管入口温度T_in越低，电源输出功率P越大；钢管入口温度T_in越高，电源输出功率P越小，来料钢管1表面存在的温度波动或与设定值相比存在的温度偏差在经过闭环控制的电源感应加热以后可以自动得到抑制或弥补。这样，钢管1表面温度均匀性大大提高，并最终准确达到最佳涂敷温度值。

同时，钢管1在输送辊道2上的输送过程中，由于管端连接、辊面打滑等因素的影响，钢管轴向移动速度实际也存在一定波动，影响其感应加热效果。根据闭环控制模型，钢管轴向移动速度V_a越小，加热功率P越小；轴向速度V_a越大，加热功率P越大。其速度数值来源于测速仪的直接测量信号，也可以从锥形辊驱动电机的转速信号经过转换得到，并与温度一起构成温度－速度“双闭环”控制模式，以大幅度减小钢管表面温度波动，最终使钢管感应加热温度更加均匀、准确、稳定地达到涂敷温度预定目标，从而从根本上保证钢管表面环氧树脂涂层的熔覆质量。

作为优选方案，为了进一步减小钢管表面圆周向温度不均匀对闭环控制电源输出功率的不利影响，每一级感应线圈3的管道入口位置的控温测温仪6沿钢管1圆周向布置n个，其测量的钢管外表面温度经过平均运算取平均值作为控制模型的输入温度参数T_in，如图3所示，提高参与闭环控制的温度输入值T_in的代表性，此时，入口温度T_in按下式计算：

T_in＝(T₁+T₂+……T_n)/n (2)

式(2)中，n为钢管表面圆周向布置的控温测温仪6的数量。

作为优选方案，为了进一步减小钢管表面轴向温度不均匀对闭环控制电源输出功率的不利影响，相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪6之间呈错位设置，即为前一级与后一级的控温测温仪6安装位置在钢管圆周方向上存在一定的夹角Φ，如图4所示，夹角Φ(单位：°)大小按下式计算：

Φ＝360×(ωL/V_a-int(ωL/V_a)) (3)

式(3)中，ω为钢管1旋转速度，V_a为钢管轴向运动速度，L为相邻两级感应线圈3的管道入口位置的控温测温仪6之间的间距，int()为取整函数。这样，提高参与闭环控制的钢管表面轴向温度值T_in的一致性。

实施例1

对于外径约Φ915mm、壁厚约17.5mm、长度约12m的UOE焊管，由于钢管1尺寸规格较小，推荐使用如图1中所示的3#线圈和4#线圈组成的两级感应线圈3，感应线圈3中流通的由中频电源8产生的交变电流频率均为1000Hz左右，钢管1在依次通过感应线圈3内交变电磁场感应加热后表面温度得到逐步提高。钢管1通过连接器形式头尾相接，在锥形输送辊道2的驱动下以螺旋形式向前运动，轴向运动速度V_a＝1.2m/min。布置在3#线圈入口处的控温测温仪6测量来料钢管1外表面的初始温度作为3#线圈闭环控制模型用的钢管入口温度T_in、和测速仪4测量钢管沿轴线方向运动的速度值V_a，输入控制中心9内的闭环控制模型，根据闭环控制模型计算出3#线圈感应加热所需要输出的电源输出功率P，如果钢管1表面某处温度T_in越低，则后续的感应加热电源输出功率P越大；如果钢管1表面某处温度T_in越高，则后续感应加热电源输出功率P越小。同样，布置在3#线圈和4#线圈之间的控温测温仪6测量钢管1外表面的温度值作为4#线圈的入口温度T_in，根据闭环控制模型计算出4#线圈感应加热所需要的电源输出功率P，在3#线圈感应加热的基础上通过4#线圈再次进行闭环控制的感应加热，钢管1温度不断升高，均匀性持续改善，最终在4#线圈出口即涂敷位置处达到涂敷工艺所要求的最佳涂层熔敷温度目标值(由显示测温仪5检测显示)。

实施例2

在实施例1中，每一级感应线圈3入口处控制用控温测温仪6沿钢管1圆周向对称布置2个，4级感应线圈3共需要4×2＝8个控温测温仪6，在钢管1轴线同一位置的2个不同控温测温仪6测量得到的钢管1表面圆周向不同位置的温度数据经过信号处理并取平均后作为钢管轴线某位置的表面温度值，即：

T_in＝(T₁+T₂)/2

由于涂敷钢管1表面温度比较低，最好采用具有低温高精度双色红外测温仪，以保证足够的测量精度，实现闭环控制效果。

实施例3

在实施例1中，钢管轴向运动速度V_a＝1.2m/min，旋转速度ω＝20rpm，处于3#线圈入口的控温测温仪6和处于4#线圈入口的控温测温仪6沿钢管1轴线的距离L＝1.8m，则两个控温测温仪6之间的轴向夹角：

Φ＝360×(20×1.8/1.2-int(20×1.8/1.2))

＝360×(43.2-int(43.2))

＝360×(43.2-43)

＝360×0.2

＝72

如图4所示，调整两个控温测温仪6的安装位置，使两个控温测温仪6均垂直面对于钢管1表面，同时使从钢管1轴线方向看二者的夹角等于72°，这样可使钢管1表面入口温度测试位置与出口温度测试位置基本上处于同一条螺旋线上，提高了温度信号的测取的准确性和代表性，为闭环控制模型提供可靠的输入参数，有助于实现控制钢管的感应加热温度波动和偏差，保证涂层熔覆质量。

综上所述，本发明闭环控制方法以温度和速度作为主要输入参数，通过温度平均和前后测温仪的偏转安装等，提高了钢管感应加热的控温精度，改善了钢管外表面感应加热温度的均匀性、准确性和稳定性。解决大口径UOE焊管外涂敷线感应加热过程存在钢管表面温度均匀性差、加热效率低、操作控制复杂等问题，保证钢管外表面涂层的涂敷质量，提高外涂敷线的生产效率，实现少人化作业、降低钢管生产制造成本等目的。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种钢管多级感应加热的闭环控制装置，包括用以输送钢管的输送辊道，所述输送辊道上依次设有多级感应线圈，用以加热钢管外表面温度，其特征在于：还包括

设于所述输送辊道的管道入口位置的测速仪；

设于所述输送辊道的管道出口位置的显示测温仪；

设于所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪，所述控温测温仪连有PLC，所述PLC与所述感应线圈上的中频电源相连；以及

与所述测速仪、所述控温测温仪、所述PLC相连的控制中心，所述控制中心建立有闭环控制模型。

2.如权利要求1所述的钢管多级感应加热的闭环控制装置，其特征在于：所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪具有若干个，沿钢管的圆周向布置。

3.如权利要求2所述的钢管多级感应加热的闭环控制装置，其特征在于：所述相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间呈错位设置。

4.一种使用如权利要求1-3任一项所述的钢管多级感应加热的闭环控制装置的钢管多级感应加热的闭环控制方法，钢管经抛丸处理后，在输送辊道上以连接器方式头尾相连，在倾斜安装的锥形辊的驱动下，以螺旋运动向前输送，经过输送辊道上多级感应线圈加热钢管外表面温度，其特征在于：

由所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪测量并经过信号处理得到的钢管外表面温度T_in，以及由所述测速仪测量并经过信号处理得到的钢管轴向移动速度V_a，输入所述控制中心的闭环控制模型进行计算，所述控制中心输出计算结果，根据计算结果由所述PLC控制相应的所述感应线圈上的中频电源输出功率P，使最终钢管的感应加热温度达到180℃～240℃；

闭环控制模型的计算如下：

P＝f(T_in,V_a)。

5.如权利要求4所述的钢管多级感应加热的闭环控制方法，其特征在于：所述每一级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪沿钢管圆周向布置n个，各个控温测温仪测量的钢管表面温度经过平均运算取平均值作为闭环控制模型的输入钢管表面温度T_in，即

T_in＝(T₁+T₂+……T_n)/n。

6.如权利要求4所述的钢管多级感应加热的闭环控制方法，其特征在于：所述相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间呈错位设置，控温测温仪之间形成夹角Φ，夹角Φ控制如下：

Φ＝360×(ωL/V_a-int(ωL/V_a))

上式中，ω为钢管旋转速度，V_a为钢管轴向运动速度，L为相邻两级感应线圈的管道入口位置的控温测温仪之间的间距，int()为取整函数。

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