（机械电子工程专业论文）erw管的成型过程分析仿真及机械性能试验研究.pdf

捅姜 e r w 直缝焊管以其尺寸精度高、肇厚均匀、生产率高、抗压性能和综合力学性能 好以及射孔不裂等优点而具有很大的发展潜力和市场竞争力。目前，e r w 管己正在向 原属无缝钢管应用的领域进军，已广泛应用于石油、天然气、水、煤气和矿浆等流体 长距离输送和油井套管。因此，对e r w 管的生产工艺和成型过程的研究，以及成型 工艺对e r w 焊管质量及机械性能的影响的研究，有着重要的意义。 本文综述了e r w 焊管的特点，国内外应用、生产发展情况：对e r w 管成型机组 进行了简单介绍；分析研究了e r w 管的成型工艺及各项参数，e r w 管成型原理和板 料参数的确定，并对成型过程中可能出现的影响情况做出介绍分析；利用样条有限条 法，通过将连续体的离散化，构造位移函数，对由刚度矩阵、载荷矩阵得到的平衡方 程求解，从而由理沦上分析e r w 焊管成型过程中的应力应变情况；运用 a n s y s l s d y n a 动态模块，对e r w 焊管的成型过程进行建模、模拟，进行全流程 的仿真，结合仿真结果分析研究e r w 管成型过程的应力应变情况；最后，对成品e r w 管取样进行压扁试验、拉伸试验和弯曲试验，并根据数理统计的方法处理实验数据， 求得各项数据的概率密度曲线，得到较为精确的试验结果，对试验结果进行分析研究 成品管的各项机械性能。 本文将e r w 管成型过程的理论分析，过程仿真以及成品管的机械性能试验研究 相结合，对e r w 焊管生产的全流程进行分析研究，为e r w 焊管牛产工艺的改进发展 打下基础。 关键字：e r w 焊管，有限条法，过程仿真，机械性能试验 a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fe r w p i p e sf o r m i n gp r o c e s sa n d s t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t w a n gl e i ( m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x ux i n g p i n g a b s t r a c t e r wl o n g i t u d i n a l l yw e l d e d p i p e h a s g r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l a n dm a r k e t c o m p e t i t i v e n e s sf o ri t s e x c e l l e n c eo fg r e a td i m e n s i o n a lp r e c i s i o n ， s y m m e t r i c a lw a l l t h i c k n e s s ，h i g hp r o d u c t i v i t y ，g o o dc o m p r e s s i o nr e s i s t a n c ec a p a b i l i t ya n dc o m p r e h e n s i v e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw i t h o u tp e r f o r a t i o nc r a c k s n o wt h ee r wp i p ei sc o m i n gi n t o t h ef i e l ds e a m l e s ss t e e lt u b ei su s e db e f o r e ，a n dh a sb e e n u s e d i n l o n gd i s t a n c e t r a n s p o r t a t i o no fp e t r o l e u m ，n a t u r a lg a s ，w a t e r ，g a s ，p u l p ，e t c ，a n do i lw e l lc a s i n g s oi ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fe r wp i p ea n dh o w t h ep r o c e s sa f f e c t sq u a l i t y a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe r wp i p e t h i sp a p e rs u m m a r i z e dc h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n sa th o m ea n da b r o a d ，s i t u a t i o n o fp r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fe r wp i p e ；i n t r o d u c e dt h eg e n e r a t i n gu n i t ；a n a l y z e da n d s t u d i e dt h ef o r m i n gp r o c e s sa n dp a r a m e t e ro ft h ep i p e ；s t u d i e dt h ef o r m i n gp r i n c i p l ea n d h o wt oc o n f i r ms h e e tm e t a l s p a r a m e t e r s ， a n a l y z e dt h es i t u a t i o nm a ya p p e a ri nt h e p r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h ee f f e c t so fi t ；s t u d i e dt h es i t u a t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n i nt h e f o r m i n gp r o c e s s i nt h ea b s t r a c t b ys p l i n e f i n i t e s t r i p m e t h o dt h r o u g hc o n t i n u u m d i s c r e t i z a t i o n ，s t r u c t u r i n gd i s p l a c e m e n tf u n c t i o n ，s o l v i n gb a l a n c ee q u a t i o nc o n f i r m e db y s t i f f n e s sm a t r i xa n dl o a d i n gm a t r i x ；m o d e l i n gf o rf o r m i n gp r o c e s so fe r wp i p ea n ds t u d y t h er e s u l to fs i m u l a t i o nm a d eb ya n s y s l s - d y n ad y n a m i cm o d u l e a n a l y z e dt h es t r e s s a n ds t r a i ni nt h ef o r m i n gp r o c e s sb ys i m u l a t i o n ；s e l e c t e ds a m p l e so fe r wp i p e ，t h e nm a d e f l a t t e n i n gt e s t 。t e n s i l et e s ta n db e n d i n gt e s t d e a lw i t ht h et e s t d a t ei nm a t h e m a t i c a l s t a t i s t i c sm e t h o d ，i nt h i sw a yt h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yc u r v eo ft h ed a t ec a nb em a d e a c c o r d i n gt ot h ep r o b a b i l i t yd e n s i t yc u r v e ， a c c u r a t et e s td a t ec a nb eg o t s t u d ya n d a n a l y z em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fe r wp i p et h r o u g ht h ea c c u r a t et e s td a t e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ff o r m i n gp r o c e s s ， s i m u l a t i o no ff o r m i n gp r o c e s sa n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s th a n gt o g e t h e ri nt h i sp a p e r ，t h ew h o l ef o r m i n gp r o c e s sw a s s t u d i e da n da n a l y z e d t h a tm a d ef o u n d a t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to fe r wp i p e s p r o d u c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：e r ww e l d e dp i p e ， f i n i t e s t r i pm e t h o d ， s i m u l a t i o no fp r o d u c t i o n p r o c e s s ， m e c h a n i c a ip r o p e r t yt e s t 关于学位论文的独创胜声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中幽石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至! 壹日期： 年 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其 印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论 文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 年月日 年j 窍弓| b 口7 7 期 期 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1e r w 管的应用 第一章绪论弟一早三百了匕 e r w 直缝焊管以其尺寸精度高、壁厚均匀、生产率高、抗压性能和综合力学性能 好以及射孔不裂等优点而具有很大的发展潜力和市场竞争力【lj 。进入2 l 世纪，先进的 焊管技术装备在国内的陆续出现、焊接工艺技术的不断提高，焊缝质量发生了质的改 善，其产品质量先天优良。所以正在向原属无缝钢管应用的领域进军，现在许多行业 中都大量使用e r w 焊管。 随着我国经济建设进入新一轮高速增长期，我国将成为全球的制造中心，国家确 定的西部开发战略、农村城市化和工业化战略、以及以西气东输为代表的全国性的管 道建设热潮、2 0 0 8 年奥运场馆建设的陆续启动都将带动钢管的需求。 中石油、中石化、中海油已经开始了大规模的油、气管道建设，煤炭、钢铁等行 业也规划建设大量的水煤浆、矿浆管道。今后2 0 年，管道建设对管线管的需求将保持 强劲的增长。 e r w 套管由于焊缝和母材己完全可以通过提高焊接质量，改进热处理工艺而实现 等强度、等韧性匹配，所以e r w 钢管已不仅可以做表层套管，而且可以做技术套管和 油层套管【2 1 。 油井焊管的国内应用，从1 9 8 5 - 1 9 9 3 年，我国进口日本生产的e r w 套管3 2 万 吨，使用于大庆、胜利等各油气田，钢级a p i j 5 5 、n 8 0 ，规格5 - - 2 0 英寸等，未见失 效报道，使用情况良好。 赢缝焊套管的开发研究及其推广应用。商缝焊套管不但能达到表层套管和技术套 管的要求，而且能满足部分油层套管的技术要求。直缝焊套管生产成本低，价格比同 类无缝管便宜l 3 1 。 还有低中压锅炉用管、低钢级j 5 5 级石油套管以及x 7 0 级的油、气管、线管等。 在焊接工艺技术的不断提高，焊缝质量发生了质的改善的情况下，再加上先天优 良产品质量，相信将会应用在更多的领域。 1 2e r w 管的特点 e r w 焊管与螺旋焊管和无缝管相比较，有自身的特点与优点。 第章绪论 1 ) e r w 与s a w ( 螺旋焊管) 钢管的对比 因s a w ( 螺旋焊管) 焊缝长度大约是e r w 焊缝长度的4 - - - - 5 倍，而其内焊瘤又无工 艺手段去除，冈此在输送介质时不可避免地增加了管道内壁的摩阻。而e r w 焊缝长度 短，内焊瘤能去除。这对减少成品油输送时产生的混油量和降低摩阻产生的温升非常 有利。 残余应力测定结果表明，e r w 焊管周向成型内应力较小，这对于管材是有利的。 s a w 焊管焊缝区大，应力状态k g e r w 管复杂，这与其成犁工艺有关。焊缝内应 力有拉也有压，内表面为弹复拉应力，轴向应力为+ 4 5 0 m p a ，周向应力为+ 3 4 4m p a ， 这种在焊缝及热影响区内壁大范围的拉应力，将对内壁缺陷的起裂和应力腐蚀产生不 利的影响。同时，e r w 钢管焊缝短( 与螺旋缝钢管相比) 、钢管壁厚均匀、长度稳定、 几何尺寸精度高，防腐及组装焊接的质量易保证【4 1 。 2 ) e r w 与s m l ( 无缝钢管) 钢管的对比 改革开放以来，我国从国外引进1 0 0 来套焊管机组，这对提高我国焊管生产技术 水平，扩大品种，提高质量有十分重要的作用。一般来说e r w 直缝电阻焊管与无缝管相 比具有以下优点1 5 j ： ( 1 ) 尺寸精度高。直径和壁厚偏差，焊接钢管比无缝钢管小得多，这是因为钢带 轧制和焊管成形易于摔制，所以尺寸精度高。 ( 2 ) 力学性能好。由于焊管用钢带易于实现控制轧制，随着焊接技术和在线热处 理技术的发展，对焊缝性能可以控制，直缝电阻焊钢管的延伸率比无缝管高8 1 0 ， 这是因为直缝电阻焊管的含碳量比无缝管低1 2 左右。 ( 3 ) 直缝电阻焊钢管的同心度高、壁厚均匀。焊缝经热处理后，金相组织均匀， 具有较高的抗挤溃能力。 ( 4 ) 由于钢材的延伸性好，直缝电阻焊管压扁试验比无缝管好。 ( 5 ) 直缝焊管的冲击韧性要高于无缝管。 ( 6 ) 直缝电阻焊管没有焊条等异种金属渗入，又经过严格的在线热处理，因此焊 缝性能与基体材料性能一致。 总体来说，在尺寸、性能、外形公差等各方面都比无缝钢管要好很多，在经过焊 接成型技术的发展后，能够应用于焊管争产。很大的提高了焊管的质量。因此，直缝 焊管将取代无缝钢管，成为各行业首选的管材。 2 中幽石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3e r w 管的国内外生产与发展现状 对于高频育缝焊管的现状，国内外正在从使用无缝钢管逐步过渡到直缝焊管，由 于焊管的诸多好处，焊管的己广泛应用到生产中来。从过去到现在，直缝焊管的应用 现状可知由如下情况。 高频电阻焊方法2 0 世纪5 0 年代开始应用于焊管生产。1 9 5 8 年在原上海钢管厂制 造出中国第一根e r w 钢管。几十年来，其生产技术日趋完善，产品质量不断提高。首 先是e r w 生产所用原料的质量有了明显的改观，在钢材成分设计中采用了低c 、低p 、 低s 、微合金化：在冶炼过程中采用了转炉冶炼钢包精炼、真空脱气、连铸等新技术； 轧制过程中控轧、控冷技术的使用，使大中口径e r w 钢管用热轧钢带的外观尺寸、外 观质量、理化性能得到大幅度的提高 6 1 。 有了i s o9 0 0 0 系列标准和a p iq l 规范，大中口径e r w 钢管生产、检验、销售 和服务全过程存质量保证之中。近年来，各国都存积极研究用e r w 钢管代替无缝管 和螺旋焊管，在t 业发达国家，直径在6 1 0m m 以下的管道工程，e r w 钢管所占比 例已达到7 0 左右。 近1 0 年来，日本的e r w 钢管发展很快。新日铁制铁所和住友金属和歌山制铁所 各有1 条中5 0 8m m ( 2 0i n ) e r w 钢管生产线；川崎知多制铁所、京滨制铁所各有l 条6 0 9m m ( 2 4i n ) e r w 钢管生产线。目前，e r w 钢管的产量已经占e j l 本钢管总产 量的7 0 - - 一8 0 ，而螺旋埋弧焊管已经较少。 韩国e r w 钢管起步早，发展快，在某些领域己大量取代了无缝钢管。釜山钢管 公司和现代钢管公司各有9 条焊管生产线，其中8 条足e r w 钢管生产线，仅有】条 螺旋埋弧焊但订货越来越少。 美国的c e n e v as t e e l ，c s it u b u l a rp r o d u c t s ，i p s c ot u b u l a r w ， l o n es t a r ，n e w p o r ts t e e l ，t u b a c e r oi n t e r n a t l o n a l 及u ss t e e l t u b u l a rp r o d u c t s 均有e r w ，钢管生产线。 目前，e r w ，钢管直径尺寸范围为6 1 0m m ( 2 4i n ) 以下，而日本川崎制管已可 生产直径达0 6 6 0m m ( 2 6i n ) 的e r w 钢管。在合适的直径范围内，e r w 钢管不仅可 用于陆卜，海底管线也多有采用。 在我国，大中口径e r w 钢管出现于9 0 年代中期，发展异常迅猛，产品市场覆盖 率越来越大，已进入石油、石化、天然气、建筑、电力、矿山、煤炭、城市管网等工 3 第章绪论 业领域。我国五家主要的e r w 制管企业： ( 1 ) 上海埃力生钢管有限公司：3 3 5 6m m ( 1 4i n ) e r w 直缝焊管机组。生产： 1 1 4 3 3 5 6m m 石油管线管及方矩形管。 ( 2 ) 广州市番禺珠江钢管有限公司：3 5 5 6m m ( 1 4i n ) e r w ，直缝焊管机绢。 生产：10 0 - - 3 2 3 5m m 高强度石油焊管，生产方矩形管与结构型钢。 ( 3 ) 宝鸡石油钢管厂：4 2 6m m ( 1 6i n ) e r w 直缝焊管机组。生产：1 3 9 7 4 2 6 m m 直缝焊管，钢级x 7 0 ，j 5 5 ，k 5 5 等石油天然气输送用管和套管。 ( 4 ) 葫芦岛市钢管总厂( 己被凌钢集团兼并) ：5 0 8m m ( 2 0i n ) 排辊成型机组。 生产：2 1 9 5 0 8m m 直缝焊管。 ( 5 ) 攀钢北海钢管公司：3 2 5m m ( 1 2i n ) e r w 直缝焊管机组。生产：1 0 1 6 3 0 4 8m m 焊管。 直缝焊管是我国焊管的主力，机组约有1 5 0 0 套，但机组的产品规格配备极不合理。 我国小规格的焊机组过多，超过日、美、德国的一倍。但大规格机组相对太少，不及 他们的一半【7 1 。 从- r 、l k 结构优化和布局来看，世界各主要焊管生产国，各有特点。日本生产板带 材的厂都建设有焊管机组；德国则侧重集中化，专业化生产，分工明确；前苏联强调 钢管集中化、专业化，不搞地方和小型企业，有强制的协作关系，解决焊管生产所需 原料。我国建大中直缝焊管机组，原则上应靠近用户；当然，能靠近用户又靠近带钢 生产厂则更好。 我国焊管机组就总体而言，装备水平还比较落后，大多数机组装备不配套，工艺 自动控制、焊缝热处理设备不多，缺少无损探伤手段，水压试验能力不足，普遍存在 成形工艺落后，精整作业线不完备等突出问题。 总之在现代化的形势下，焊管的应用已被广泛的认可，但是国内毕竟比国外发展 的较慢，而且技术方而也还有待提高。尽管这样，国内焊管的生产也正飞速发展，相 信在今后将更“泛的应用。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 分析研究辊弯成型工艺及其各项参数、辊弯成型原理。 ( 2 ) 研究e r w 管的辊弯成型过程，应用样条有线条法由理论上分析成型规律。 ( 3 ) 对e r w 管的成型过程进行全流程仿真，从而分析研究成型规律。 4 中国打油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 对成品e r w 管进行机械性能试验，研究e r w 管的机械性能。 1 5 课题的目的及意义 综上所述，由于e r w 焊管的特点和种种优点，以及作为高效经济型材的应用也 越来越广泛，e r w 管的生产工艺改进以及成品管质量提高的研究意义重大。 近年来，对e r w 管的研究多集中于成型过程的理论分析计算，及成型工艺参数 优化及设计。但目前的许多研究多为单一的理论分析或工艺参数研究。本文将e r w 管的成型工艺、成型原理、理论分析研究、成型过程全流程仿真以及成品管的取样试 验研究相结合。据此可对相同管径、壁厚，由不同生产工艺中所得e r w 管的质量及 机械性能进行对比，结合理论分析计算和过程仿真，总体评价不同生产工艺所得e r w 管的优劣。从而对生产工艺的优化设计，高质量e r w 焊管的生产提供一定的指导。 第- 二章e r w 管的成型- l 艺研究 第二章e r w 管的成型工艺分析 2 1 成型工艺的种类 直缝焊管成型工艺目前使用的主要有【8 】： u o e ( u - i n go i n ga n de x p a n d i n gp r o c e s s ) 成型工艺。该成型方法是使用厚钢板 作原料，经过刨边和预弯边，先在u 型压力机上压成u 形，后在o 形压力机上压成 o 形，然后预焊，内外埋弧焊，最后扩径。该成型工受到板宽限制，不能制造直径很 大的钢管，而且更换规格时要用不同尺寸的钢板和成型模具，设备投资大，但是生产 率高，适合大批量、少品种专用管的生产。 履带式成型工艺：该成型方法不需要成型辊，其主要部分是分两个侧面的v 形槽 和三角形模板。板带进入倾斜的三角板和v 形槽孔后，开始板带不接触v 形面，因为 板带t t , - - 角板窄，板带没有变形，随着板带的前进，三角板变窄，板带在两侧的v 形 板的约束下渐进变形，直至形成管坯。该成型方法主要生产直径较小、壁厚薄的普通 焊管。 辊弯式成型工艺：该成型方法式是将剪好的钢板在i 辊式或四辊式的弯板机上， 按照要求的压下量，经过数次辊压，成型为管坯，如图1 1 所示，然后将管坯箍紧预 焊，内外埋弧焊接。这是一种生产大直径直缝焊管的方法，适于制造多品种小批量产 品，设备投资少，操作简单，但生产效率低，产品质量差。 排辊成型工艺。排辊成型是采用多套排辊，将板纵向从端部经中部到尾部连续渐 进弯成o 型，如图2 2 所示。排辊成型由辊式成型演变而来，既保留了辊式成型的优 点，又克服了辊式成型机成型大直径薄壁管时容易产生“鼓包”的缺点。由于排辊成 型采用连续局部弯曲变形，因此钢板的变形力不像u o e 等成型时按钢板的整体长度 弯曲，而是从管端部到尾部连续局部弯曲变形所以变形力比较小，排辊成型机的设备 重量大大减轻，从而降低造价。 6 中国钉油人学( 华东) 硕士学化论文 回 爪 图1 - 1 辊弯成型示意图 f i g l 一1s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o l lf o r m i n g z 变形区长度 图2 - 2 排辊成型示意图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o w r o l lf o r m i n gp r o c e s s 2 2 直缝焊管排辊成型技术的发展 。排辊成型由辊式成型演变而来。最初的辊式成型装置的构造是平辊和立辊交叉布 置的，后来又逐渐改造，在小直径管方而变为平、立辊+ 立辊组的形式，采用高频焊， 7 第二章e r w 管的成型上艺：研究 后来再进一步发展成为排辊式成型方法，随着对板带边缘处理方法的改进，发展成为 目前的直缘排辊成型工艺。 排辊成型的发展大致可分为4 个阶段： 1 ) 辊式成型的原始阶段。1 9 1 8 年美国开始使用电阻焊管生产小直径管，直到1 9 3 8 年由卡尔一赫尔s t ( c a r l h o l z e r ) 仓l j 造了采用接触焊接法的精密焊管机组，由6 个机架组 成。二次世界大战以后，美、欧的制管工业得到迅速发展，美国的约德尔公司( y o d e r 公司) 开发出焊管机m 系列设计m 1 ( 1 3 7 4 2 2 n u n ) 、m 2 ( 2 1 3 - - - 6 6 m m ) 矛i m 3 ( 2 6 7 1 1 4 r a m ) ，并取得专利。后来发展并按a p i 标准生产了4 0 6 r a m ( 1 6 i n ) 焊管机。其轧辊布置形式是平、立辊交叉式。 2 ) 从小直径管发展为平、立辊和立辊组的形式，也就是趋向半排辊式成型。为了 减少摩擦和个别平辊孔型直径，在小直径管的成型辊中采用立辊组的形式，立辊组的 数量为2 3 对或以上。为了减少管子表面划伤，在中等直径管成型过程中，在平立辊 之间增设了数个成排的小辊子。1 9 6 0 年美国拖伦斯( t o r r a n c e ) 公司就制造了1 台半排辊 式成型直缝电焊管机组用来生产直径5 0 8 1 2 7 0 m m 的电焊管机组，由此开创了排辊 式成型的新纪元。 3 ) 全排辊成型。此后不久，美国制造出了1 6 8 3 5 0 8 ( 6 - - 2 0 i n ) 和6 1 0 m m ( 2 4i n ) 的排辊式成型机组。在吸收了前两台成形机的设计、制造和使用的经验基础上， 美籍华人张志辉工程师又设计了1 台更完善的排辊式成型机组。在2 0 世纪7 0 年代后 期，日本又制造了1 台6 6 0 m m ( 2 6 i n ) 的排辊式成型机组，其产品最大直径为6 6 0 4 m m ，壁厚( t ) p b 径( d ) 比不到l ，壁厚最小6 m m 。所谓的全排辊式成型，并不是整体 成型过程全是排辊成型，而仅仅是中间大部分是排辊成型，而头尾部分仍是辊式成型。 4 ) 直缘排辊成型工艺。该工艺是在传统的排辊成型工艺的基础上改进而来的。传 统的排辊成型机组，带钢边缘产生很大的回弹，而直缘排辊成型工艺就是克服了传统 排辊成型工艺的不足，在排辊之间再连续配置许多小辊，形成直缘排辊，从而使带钢 的边缘能够沿着一条平滑的自然变形路径进行。从而使板带整个变形过程更趋于柔性， 管坯的成型质量得到较大的提高。 2 3 排辊成型设备 直缝焊管生产线一般包括备卷台、上卷小车、拆头机、开卷机、对中立辊、横切 十h m 【十) * t 女 ：j ：二f 一、 j 。- i 一 、。 妻主 毒 再k 轧 ，寺。母n 帚，电，乒。，岛t 产， 画一面一i 一 2 ：兰- - 4 芎。赢意。毒糠。警尊孽 。 。；t “一- j 一言- l ，? 一 e 目e 第一二章e r w 管的成犁上艺研究 2 4 辊弯成型原理 图2 - 4 排辊示意图 f i 9 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fr o w - r o l l 辊弯成型是以带钢为坯料，通过由多段具有一定表面形状成型轧辊所组成的成型 机组对坯料逐步进行弯曲变形，从而得到截面均一的产品的塑性加工方法【9 】，塑性加工 是利用材料的塑性制造加工度更高的产品的工程，即通过加工工具向材料施加加工力 使其塑性变形，加工成所规定的形状【1 0 】。 e r w 管的辊弯成型过程是一个经历大转动、有限应变的过程，伴随着复杂的几何 非线性、物理非线性、边界非线性和接触非线性 1 i 】【1 2 】【1 3 】。 焊管成型过程是使带钢在横断面卜不等曲率弯曲和纵向变形连续运行的复合过 程，而带钢的弯曲则是一个多向受力的变形过程。管坯在成型机组中的整个变形过程 非常复杂，它包括纵向变形，横向变形，是一二者同时发生的而且比较复杂的变形 【1 4 】【1 5 】【1 6 】。 2 4 1 管坯的纵向横向变形【1 7 】 一、纵向变形 纵向变形是指管坯由平板状变为圆筒状在轧制线方向上的变形过程，如图2 5 ， 纵向变形过程是不均匀的。在前几架，带钢边缘部分的延伸大于中心部分的延伸，而 达到封闭孑l 前两架时，中心部分的延伸又大于边缘部分的延伸。其总的结果是，成型 为圆筒以后，边缘的长度l 大于原米的边长l ，即l l 。 r ， 其延伸率为：万= 竺1 0 0 ( 2 1 ) 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学化论文 图2 - 5 成型纵向变形示意图 f i 9 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fl o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o ni nf o r m i n gp r o c e s s 为保证成型质量的稳定，使延伸的边缘受压缩时又能恢复原来的形状，不至于引 起波浪和鼓包，必须保证受拉伸时的纵向变形是弹性变形。根据虎克定律，一定的材 料在弹性限度内应力与应变成正比，即： 占：旦( 2 2 ) e 式中：占应变延伸率； 仃应力，公斤厘米2 ； e 弹性模量，公斤厘米2 。 对于低碳钢，e = 2 x1 0 6 公斤厘米2 ；盯= 2 0 0 0 公斤厘米2 。 所以必须使万要， 即万0 1 ， 由此得边缘上升角口2 5 6 。 因此要满足产品直径d ，麟所需的变形区长度为： 三：垒2 2 3 6 d m 。 ( 2 3 ) t g a 虽 j 从第一架水平辊中心至最后一架水平辊中心的距离等于该机组生产的最大产品 外径的2 2 倍左右。这是设汁成型机组的基本参数。小于这个数字，成型过程容易起鼓 包；大于这个数字，则使机架增多，设备庞杂，加工费用提高。采用成型底线下山法 等一系列的措施，能够有效的避免板带边缘产生鼓包等缺陷。 第_ 二章e r w 管的成犁上艺研究 二、横向变形 横向变形是指在各成型机架中的管坯横断面弯曲形状，即各架的孔型形状。管坯 在各特定孔型中进行横向弯曲变形的问题是轧辊孔型设计的问题。 2 4 2 成型底线 从成型第一架至成型末架，各架下辊孔型最低点的连线就是成型底线。成型底线 的方式对于管坯成型的纵向变形过程及边缘延伸有显著的影响。 底线的控制和调整可通过以下方法来实现：( 1 ) 通过下辊的压上装置来调整；( 2 ) 通过在下辊轴承底座下加不同厚度的垫来调整：( 3 ) 通过在机架与底座之间加不同厚度 的垫来调整；( 4 ) 通过改变各架下辊的底径来控制。 成型底线大致有四种方式：上山法、底线水平法、下山法和边缘线水平法，如图 2 6 。 a 上山法b 底线水平法c 下山法d 边缘线水平法 图2 - 6 成型底线的不同方式 f i 9 2 - 6d i f f e r e n tt y p e so ff o r m i n gb o t t o ml i n e 通常采用的大多是底线水平法和下i j i 法。底线水平法与下山法相比较，在一个机 架上，管坯断面各处的延伸不均匀性较大，而下山法的不均匀性较小，而且下山法的 边缘延伸较底线水平法要小些。 在现行的排辊成型中，大部分采用了下山成型法来较好的控制管坯断面的延伸。 在使用下山成型法时，要对卜山量作精确的控制，否则管坯从孔型出l 可能向上或向 下发生弯曲。如图2 7 ，s 为下辊底线至辅助装置支承点的高度，称之为下山量，厂为 轧辊中心线至辅助支承点的距离。s 和厂必须有一个适当的比例，否则管坯从孔型出 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 口可能向上弯曲( 去 o ) ，或向下弯曲( 去 b ) 。必须使去= o ，为最好的下山成型， 其条件是： s = 矽 ( 2 - 4 ) 式中：k 根据变形量、板厚、管坯形状确定的系数。在厂一定的条件下，般取 k = 0 0 5 0 1 5 。 图2 - 7 单机架下山成型 f i 9 2 7d i ph e a d i n gf o r m i n go fs i n g l es t a n d 过分大的s 可以使管坯出口时向上弯曲，过分小的s 可以使管坯出口时向下弯曲。 在普通辊式成型机上采用下山成型时，如果取机架间距为厂，由于一般来说机架间距 是相当大的，调整轧辊底线间距s 也就相当大，容易发生向下弯曲。因此，最好在机 座之间增设下山成型的辅助装置，才能得到显著的效果。 2 4 3 管坯变形原理 普通辊式成型与排辊成型的中小型直缝焊管，在压力加工变形原理上属于同一范 畴，但是在控制管坯边缘变形方面却有着很大的区别。因为在辊式成型生产中等直径 偏大的焊管成型斗一容易产生的主要问题是带钢边缘伸长往往超过其弹性变形，从而产 生“波纹”、“褶皱”、“鼓包”等缺陷而造成废品；而排辊成型的突出特点是具有自然 成型的特性，就防止了带钢边缘过量的伸长变形。 普通的辊式成型在实际生产过程中，存在着带钢进入成型辊之前就已经产生变形 和离开轧辊之后的回弹变形等复杂变形，由于带钢要逐步进入若干个轧辊，也就存在 着反复拉伸反弹变形。这种变形使得一道轧辊比一道轧辊变形大，以此来补偿前 一道的反弹，结果往往使板的边缘伸长量加大，产生“波纹 、“褶皱”、“鼓包 等现 象。 第- 二章e r w 管的成型上艺研究 根据其成型过程，在排辊之间再连续配置许多小辊，形成直缘排辊，从而使带钢 的边缘能够沿着一条平滑的自然变形路径进行。以尽量减少带钢从轧辊出来之后的反 弹，尽量使反弹减小，从而使带钢边缘伸长减少，变形自然减少。板带整个变形过程 更趋于柔性，管坯的成型质量得到较大的提高。而从边缘外控制带钢的变形，避免回 弹和残余应力的产生，这就是使带钢边缘拉伸控制到最小范围的自然成型法，也就是 排辊成型产生的基础。 2 4 4 带钢边缘状态 上面已经分析了成型时的纵向变形过程，边缘部分和中心部分延伸的不均匀性。 边缘延伸对成型质量有重要的影响。为使延伸的边缘在受压缩变形时能恢复，必须保 证其延伸率限制在材料弹性极限允许的范围之内。当边缘延伸超过了材料的弹性变形， 边缘又受压缩变形时就引起了波浪和鼓包。 影响边缘延伸的因素很多，总体来看有内部因素和外部因素两方面。 内部因素是指材料( 带钢) 本身固有的一些因素。例如：钢质和化学成分影响材料 的机械性能，在同样的操作条件下硬度小的钢比硬度大的钢边缘延伸要大一些；同样 直径的钢管，管壁薄的比管壁厚的钢管，边缘延伸要大些；同样壁厚的钢管，直径大 的比直径小的边缘延伸要大些；同样的钢种，同样的壁厚和直径的钢管，热轧带钢比 冷轧带钢边缘延伸要大些。 在实际生产中，原料和品种经选定，内部因素也就确定了，这时影响边缘延伸 的主要是操作条件等外部因素。 操作条件包括成型底线的方式成型机调整压下方式、成型机架数目、轧辊直径、 机架间距，孔型设计、轧辊布置方式和速度差等。 2 4 5 轧辊的孔型设计 成型机轧辊孔型设计的基本问题，就是正确选择变形区的长度和各机架变形量的 合理分配，以消除带钢边缘产牛残余变形的可能性。成型质量直接影响着焊缝质量， 因此在进行孔型发计时，应满足以下要求： 1 ) 成型时带钢边缘产生的相对伸长最小，而不至于产生“鼓包”和“折皱”： 2 ) 带钢在孔型中成型稳定； 3 ) 变形均匀，成型轧辊磨损小且均匀； 4 ) 能量消耗小； 5 ) 成型过程中，能保汪焊管表面质量和舰格符合标准要求； 1 4 十u n m t 【十g ) ? n 论z 6 ) 轧辊加工方便，制造容易。 成型机轧辊孔型设计的方法很多，主要足依据管坯的横向变形特点来区分成了以 下几种： 】) 边缘弯曲法。又称边缘变形法。其成型过程是从带钢的边缘部分开始弯曲成 型，弯曲半径r 恒定，并等于挤压辊孔型半径或等于战型机第一架封闭孔孔型半径 然后逐架增加边缘弯曲宽度，相应地减小管坯中间部分宽度，即运絮增加变形角0 ， 直到进 封闭孔孔犁中成型为圆管筒，如图2 - 8 所示。 边缘弯曲法- ，板带边缘的点p 在成型过程巾的运动轨迹的投影是条摆线曲 线。其运动方程可表示为： z = r ( t r p 1 + rs i n 口 ( 2 - 5 ) y = r z c o $ 0 十( f 一0 ) s i n 8 ( 2 - 6 ) 带钢边缘运动轨迹的投影长度： = 月i 扭鬲而d 0 = 4 r ( 2 - 7 ) l ， 、 广i 4 一上。二一一二 囝2 - 8 边缘弯曲法变形示意图 f 啦- 8 s c l z e m a t i c d i a g r a mo f e d g eb e n d i n gp m e e s s 2 ) 中心弯曲法。又称中心变形法。其成型过程是：从带钢中心部分开始弯曲变形t 弯曲半径r 恒定，并等于挤压辊孔型半径或成品管半径然后逐架加大中间变形角e ， 一直舢人到2 0 = 1 8 0 。，即带钢成型到会窗的一半时，带钢边部垂直立起，然后进入机 架上辊带有导向环的封闭孔型中成型。导向环的厚度逐架减窄，最后成型为圆管，如 图2 - 9 。 图2 - 9 中心弯曲法变形示意图 f i 9 2 - 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f c e n t r a lb e n d i n g p r o c e s s 中心弯曲法中，边缘上一点p 在成型过程中的运动轨迹的投影是一条渐开线。其 运动方程可表示为： = r s l n p + ( 一口) g o $ 8 】 y = 月【】一g o s 口+ ( f 一，7 ) s i n 目 ( 2 9 ) 带钢边缘运动轨迹的投影长度： = r ( 口一8 ) d 0 ( 2 - 1 0 ) 3 ) 圆周弯曲法，又称周长变形法。其成型过程是：沿管坯全宽进行弯曲变形，其 弯曲半径由透架减小的可变半径r 组成。当中心变形角2 e l ，卜于1 8 0 。时，管坯与r 下 辊沿整个宽度相接处。当中心变形角2 0 大于i8 0 。叫且小于2 7 0 。时，管坯与下辊接 触，而上辊仅与管坯中间部分接触。当2 0 大于2 7 0 。咀后，管坯在上辊带有导向环的 封闭孔型中成型，如图2 一l 仉 y 0 目2 一1 0 圆周弯曲法变形示意图 f i 9 2 1 0s c h e m a t i c d i a g r a mo f c i h m n t i a lb e n d i n gp r o c e s s 1 6 可卜，、 七邀。 j4i、 一f 订、。 k 一 ， 、j 、抖， 毗 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 圆周弯曲法的特点是，孔型弯曲半径在封闭孔前按比例逐架减小，均匀分配在各 开口孔机架轧辊上，半径和架次成线性关系。理想的边缘上一点p 在成型过程中的运 动轨迹空间曲线是一条抛物线。其运动方程为： x ：一n r n 0 ( 2 - 1 s i1 )x = ni ， y = 等( h 刚) ( 2 - 1 2 ) 带钢边缘运动轨迹的投影长度： 三= 积f _ 六2 2s i n o 一竽炒 协 4 ) 综合弯曲法，又称双半径弯曲法。其成型过程是：首先以挤压辊孔型半径为边 缘弯曲半径，将管坯边缘弯曲到某一变形角，并在以后的各成型架次基本保持不变， 而管坯的中间部分的弯曲变形则按圆周变形法进行变形分配。 双半径孔型设计方法吸取了边缘变形法和圆周变形法二者的优点，即：变形均匀， 成型过程较稳定，边缘延伸相对较小，成型质量较好。其缺点是：牛产不同直径钢管 时，成型辊共用性差，成型轧辊加工较复杂。而中心弯曲法中带钢的边缘升起高度大， 边缘伸长大，容易产生鼓包，成型质量不好。 圆周弯曲法，变形比较均匀，轧辊加工制造简单，并且生产不同规格和壁厚的钢 管时，轧辊具有一定的共用性，这样就减少了轧辊的储备、加工和管理的工作= 茑i = ，降 低了轧辊的消耗。圆周弯曲法在工程中应用的较为广泛。 2 5 原料板宽的确定 管坯的宽窄直接影响焊缝的质量和成品管能否符合标准要求，因此要准确的确定 管坯的宽度。而管坯的宽度与管坯的材质、焊管机组的性能、管坯的厚度、定径量以 及挤压焊接量有关。 在单半径圆周弯曲法中多用到的经验公式如下： b = r c ( d 7 一f ) + l + 2 + 3 ( 2 1 4 ) 式中：占板坯宽度； d ，成品管外经； f 管坯厚度； 1 7 第_ 二章e r w 管的成犁工艺研究 ，成型余量； ：焊接余量； ，定径余量。 其中，a ，的值分别由表2 - 1 确定。 表2 - 1a ，的确定 t a b l e 2 1d e t e r m i n a t i o no fa 1 d r t 8 1 51 6 2 52 6 4 04 1 6 0 123 l 一， 一f 一ft 2 3 4 焊接余量与对接焊缝的坡u