劉海鵬 劇樹生 李利利 楊亭亭

1.概述

螺旋焊管制造業(yè)是將鋼帶按一定的螺旋線的角度卷成管，然后將管縫焊接制成鋼管，當(dāng)鋼管長度達(dá)一定長度時（8～12m），需要將鋼管從連續(xù)的生產(chǎn)線上切斷。由于鋼管的生產(chǎn)速度較慢（約1.5m/min），所以一般采用氧乙炔火焰切割或等離子切割。

2011年公司從德國引進(jìn)一套螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組，該機(jī)組生產(chǎn)的螺旋焊管具有管徑大、壁厚大、材質(zhì)高、生產(chǎn)速度快等 特點，例如預(yù)精焊機(jī)組生產(chǎn)φ1219mm×18.4mm、X80的鋼管，鋼管生產(chǎn)速度為8.0m/min，最高可達(dá)12m/min。因此，在鋼管連續(xù)高速的生產(chǎn)過程中，普通的氧乙炔火焰切割或等離子切割系統(tǒng)就難以完成切割，需要一種新型的鋼管切割系統(tǒng)進(jìn)行鋼管高速生產(chǎn)過程中的切割。

2.技術(shù)難點

由于鋼板材質(zhì)、壁厚等因素，必然會影響鋼管的切割速度與質(zhì)量。預(yù)精焊機(jī)組預(yù)焊生產(chǎn)鋼管速度非常快，以及現(xiàn)場一些設(shè)備自身的限制，在保證鋼管正常連續(xù)生成的前提下，如何高質(zhì)量的完成在線切割成為首要解決的難題。此外，在高速切割過程中精確運動控制也顯得尤為重要。

3.引進(jìn)的系統(tǒng)

為了實現(xiàn)鋼管高速生產(chǎn)過程中在線切割，引進(jìn)了一套鋼管切割系統(tǒng)（見圖1），該系統(tǒng)主要分為等離子和控制設(shè)備兩部分（見圖2），其中等離子設(shè)備采用伊薩的，包括等離子電源系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)及割炬等。等離子電源系統(tǒng)主要為該設(shè)備提供所需的電源。冷卻循環(huán)系統(tǒng)通過水循環(huán)給割炬降溫，該系統(tǒng)的循環(huán)水為去離子水。流量控制系統(tǒng)可以根據(jù)切割不同厚度的鋼管，調(diào)節(jié)切割過程中的切割水、切割氣的流量。在等離子切割中，等離子割炬內(nèi)部的電極與鋼管之間產(chǎn)生弧光放電，將氣體等離子化，進(jìn)而通過包圍電極的噴嘴，將等離子弧收縮變細(xì)，形成高溫高速的射流，吹到鋼管上進(jìn)行熱熔切割。此時等離子流溫度超過20 000℃，其速度達(dá)到3 000m/s。

圖1 預(yù)精焊機(jī)組的鋼管切割系統(tǒng)

圖2 控制設(shè)備

控制設(shè)備由西門子PLC、控制從站、力士樂伺服驅(qū)動器以及人機(jī)界面等組成。西門子PLC與控制從站通過力士樂伺服驅(qū)動器控制伺服電動機(jī)，實現(xiàn)對等離子設(shè)備的精確運動控制，保證鋼管高速生產(chǎn)過程中的質(zhì)量切割。人機(jī)界面可以調(diào)整機(jī)器參數(shù)以便實現(xiàn)對各種鋼管的切割，此外HMI還可以實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，并在一些意外狀況發(fā)生的時候能夠加以處理。

4.應(yīng)用情況

（1）優(yōu)點 該套等離子切割系統(tǒng)需要根據(jù)鋼板的厚度確定要使用的切割耗件、切割電流以及切割速度，在人機(jī)界面上通過遠(yuǎn)程控制設(shè)定等離子電源系統(tǒng)的切割電流以及割炬的切割速度。例如，在切割規(guī)格φ1 219mm×18.4mm鋼管時，選擇340A的電極和噴嘴，從而確定切割速度為2 800mm/min，該速度可以根據(jù)實際的切割質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。雖然等離子切割速度比較快，但是該切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鋼管生產(chǎn)時的旋轉(zhuǎn)速度，為此采用一個環(huán)狀切割裝置，當(dāng)生產(chǎn)的鋼管長度達(dá)到設(shè)定長度時，該裝置在西門子PLC以及伺服驅(qū)動器的精確控制下夾住鋼管，從而帶動切割小車跟隨鋼管等速前行，與此同時PLC控制等離子切割給予起弧命令，起弧后割炬圍繞鋼管旋轉(zhuǎn)，通過控制割炬的旋轉(zhuǎn)速度，實現(xiàn)等離子切割系統(tǒng)對鋼管的在線切割。當(dāng)鋼管切割完畢后，PLC控制夾管裝置松開鋼管，切割小車回到起始位置，等待下一次切割。這樣就能在保證鋼管正常生成的前提下，實現(xiàn)了高速高質(zhì)量的在線切割。

該系統(tǒng)完全采用PLC程序控制，自動化程度高，整個切割循環(huán)過程中，只需要設(shè)定好切割速度與鋼管長度，切換到自動模式，系統(tǒng)就可以在PLC的控制下進(jìn)行自動切割。該系統(tǒng)還具備故障預(yù)警與故障診斷的功能，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，人機(jī)界面會提示出故障點，這就大大縮短了設(shè)備維護(hù)人員故障排查時間。

在使用中，該等離子系統(tǒng)切割規(guī)格φ1219mm×18.4mm鋼管時的切口寬度大約為3mm，其切割的切口表面質(zhì)量如圖3所示。從圖3可以看出，該等離子系統(tǒng)切割鋼管的切口表面非常光滑，完全滿足鋼管生產(chǎn)需要。此外，該套等離子切割系統(tǒng)基本上沒有出現(xiàn)錯口（見圖4）。

圖3 實際切割的切口表面

圖4 實際切割的錯口

（2）不足及改進(jìn)情況 在實際的使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)該等離子系統(tǒng)在切割過程中，起弧點穿孔過程中粘附的氧化物熔渣較多，這樣在等離子割炬回到起弧點時，可能造成割嘴與氧化物熔渣的碰撞，會損壞割嘴，大大降低耗件的使用壽命。通過觀察分析切割過程，發(fā)現(xiàn)穿孔中產(chǎn)生的氧化物熔渣量與起弧后的穿孔時間有關(guān)系，經(jīng)過多次試驗，找到了氧化物熔渣最少的起弧后的最優(yōu)穿孔時間，通過調(diào)整PLC程序設(shè)定最優(yōu)穿孔時間后，起弧點穿孔過程中粘附的氧化物熔渣量明顯減少。該最優(yōu)穿孔時間并非為定值，它與切割鋼板厚度相關(guān)。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)在鋼管切割過程中在切割斷口處會出現(xiàn)掛渣現(xiàn)象，為此，我們采用調(diào)整切割氣體流量的方法，使鋼管在切割過程充分燃燒，從而減少了切割斷口處的掛渣。在實際切割過程中，調(diào)整后的等離子切割系統(tǒng)，無論是在起弧點穿孔過程中粘附的氧化物熔渣量，還是在切割斷口處的掛渣量，相比以前都有了較為明顯的減少。

5.結(jié)語

本文對螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組引進(jìn)的高速等離子切割系統(tǒng)進(jìn)行了初步探討，通過實際生產(chǎn)，分析了該系統(tǒng)的優(yōu)缺點，針對不足做出了相應(yīng)的改進(jìn)。該鋼管切割系統(tǒng)具有切割速度快、切割質(zhì)量好等優(yōu)點，在螺旋焊管預(yù)精焊機(jī)組高速生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)能夠完成鋼管的高速在線切割。