直缝焊管成型新方法与轧辊设计的研究-硕士论文

天津理工大学硕士研究生论文 摘要 直缝焊管成型过程属于弹塑性大变形和接触非线性多重非线性耦合问题，使理论研 究和实验研究远落后于工程实践，即使采用有限元法也存在很多困难，目前还没有完整 的数值模拟研究工作。在工程实践中，直缝焊管成型工艺和成型机组的设计仍然采用经 验设计方法，经验设计方法的主要缺点是工艺和轧辊设计的合理性必须通过生产实践检 验，成本高周期长，不适合市场经济发展的需要。 本文利用弹塑性大变形和接触非线性有限元法，应用大型多物理场有限元软件一A N S Y S ，建立了较为符合实际的焊管成型过程的三维有限元模型，研究了小直径焊管管 坯在单道次、多道次中的成型过程，获取了管坯在成型过程中的应力、应变的变化分布 规律以及曲率、压靠力的变化规律，并作出了应力应变在半个管坯上的立体分布图。成 型方式考虑了基线恒定式单半径成型法、下山式单半径成型法和下山式双半径成型法三 种成型方式，研究了各种成型方式和管坯壁厚对应力、应变、曲率的影响，考虑了压靠 力对成型过程的影响。不同成型方法的对比研究表明，单半径和双半径成型法边缘成型 效果较差，而采用三半径W 形成型方法较好。依据数值模拟结果，提出了中直径焊管o 2 1 9 x 6 成型工艺的设计方法，设计并绘制了管坯变形和配辊图，并用三半径w 形详细地 设计了第一架水平辊的结构尺寸图。最后提出了一种把经验设计和数值模拟结合起来的 经济高效的设计方法。 文中工作对于指导焊管孔型、辊型和成型工艺设计，提高焊管质量和实现焊管孔型、 辊型和成型工艺设计从经验设计方法到基于数值模拟方法的转变奠定了基础。 关键词：焊管成型过程非线性有限元多道轧制三半径w 成型轧辊设计 天津理工大学硕士研究生论文 A b s t r a c t C o m p a r e dw i t hp r o j e c tp r a c t i c e , t h et h e o r e t i c a la n de x p e d m e n t a ls t u d yo nt h ef o r m i n g p r o c e s so fw e l d e dp i p ei ss c a r c e l yd o n ea n di ti sa l s ov e r yd i f f i c u l tt os o l v ei ti nt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d , b e c a u s et h ep r o c e s si sm u l t i n o n l i n e a rc o u p l e dp r o b l e mt h a ti n c l u d e sl a r g e d e f o r m a t i o ne l a s t i cp l a s t i ca n dn o n l i n e a rc o n t a c t t i l ln o wt h ee n t i r en u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t u d yo n i th a sn o tb e e nd o n e I nt h ep r a c t i c e , t h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n i n gm e t h o di ss t i l lu s e di n t h ed e s i g no ft h ef o r m i n gp r e e e s so fl o n g i t u d i n a lw e l d e dp i p ea n df o m i n gm i l l , t h e nt h e r a t i o n a l i t yo ff o r m i n gp r o c e s sa n dr o l l e r sd e s i g n e di nt h ew a yh a st ob ev e r i f i e dt h r o u g h p r o d u c t i o np r a c t i c e ，w h i c hl e a d st oh i g l lc o s tp r o d u c t i o na n dl o n gp e r i o dp r o d u c t i o n , f m a l l y C a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h em a r k e te c o n o m yd e v e l o p m e n t I nt h ep a p e rt h en o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d st h a ti n c l u d el a r g ed e f o r m a t i o ne l a s t i c p l a s t i ca n dn o n l i n e a rc o n t a c ta n dm u l t i p h y s i c sF E A s o R w a r e - - - A N S Y Sa r eu s e dt og e n e r a l l y c o n s t r u c tt h r e e - d e m e n t i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e Io ff o r m i n gp r o c e s so fs m a l ld i a m e t e r l o n g i t u d i n a lw e l d e dp i p e , t h ef o r m i n gp r o c e s so f b l a n kf o rw e l d e dp i p ei nt h es i n g l es t a n da n d m u l t i - s t a n dm i l e r si ss i m u l a t e da n dr e s e a r c h e d , i nt h es i m u l a t i o nt h es t r e s sa n ds t r a i n d i s t r i b u t i n ga n dc h a n g i n gr u l e s ，c u r v a t u r ea n dr o l l i n gf o r c ec h a n g i n gr u l e si nt h eb l a n kf o r w e l d e dp i p ca r eo b t a i n e d I nt h es i m u l a t i o nt h ef e db o t t o ml i n es i n g l er a d i u sf o r m i n g p r o c e s s , t h ed o w n h i l ls i n g l er a d i u sf o r m i n gp r o c e s sa n dt h ed o w nh i l ld o u b l er a d i u sf o r m i n g p r o c e s sa r ec o n s i d e r e d , t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf o r m i n gp r o c e s s e sa n dt h eb l a n kw a l l t h i c k n e s st os t r e s s ，s t r a i na n dc u r v a t u r ei sa l s os t u d i e d , a n dt h ei n f l u e n c eo fr o l l i n gf o r c et o f o r m i n gp r o c e s si sa l s oc o n s i d e r e d T h es t u d yo nt h ed i f f e r e n tf o r m i n gm e t h o d ss h o w st h a t t r i - r a d i u sf r o m i n gm e t h o di sm o r es u i t a b l ef o rt h ee d g ef o r m i n gt h a ns i n g l e - r a d i u sa n dd o u b l e r a d i u sf o r m i n gm e t h o d s B a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s , t h ed e s i g nm e t h o do nt h e n e wf o r m i n gp r o c e s so fm i d d l ed i a m e t e rw e l d e dp i p e0 2 1 9 x 6i s p u t t e df o r w a r d , t h e d e f o r m a t i o na n dr o l l e r sc o n f i g u r a t i o nf i g u r e sa r cd e s i g n e da n dd r a w e d , t h es t r u c t u r ea n d d i m e n s i o n so ft h ef i r s ts t a n dh o r i z o n t a lr o l l e r sa r ed e t a i l e d l yd e s i g n e dw i t ht r i - r a d i u s c o m b i n a t i o nr o l l e rs h a p e F i n a l l ya ne c o m i e a la n dh i g h - e f f i c i e n c yd e s i g nm e t h o dt h a t c o m b i n e st h ee x p e r i m e n t a ld e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa d v i c e d I nt h i sp a p e rt h es t u d yr e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rl l l ed e s i g no f r o l l - p a s s r o l l e rp r o f i l e a n df o r m i n gp r o c e s s T h e s ea r ea l s oab a s et oi m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d e dp i p ea n dr e a l i z e t h eI r o n s f o r m a t i o no fw e l d e dp i p ed e s i g nm e t h o df r o me x p e r i m e n t a ld e s i g nt on u m e r i c a l s i m u t a t i o nd e s i g n K e y w o r d s ：w e l d e dp i p e ，f o r m i n gp r o c e s s ，n o n - l i n e a rF E M ，m u l t i - s t a n dr o l l i n g ， t r i - r a d i u sf o r m i n gm e t h o d , r o l l e r sd e s i g n I I 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一 学位论文作者签名：阜溅晕签字日期：幻口7 年1 月l 留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡兰盘望有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘至 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：斗溉军 签字日期：2 明年1 月l 男日 导师签名： p f 嘶 签字日期删年MI g 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出 随着世界经济的迅猛发展，人们对焊管产品在品种、规格、质量和数量诸方面要求 不断提高，促进了焊管成型工艺技术的发展。焊管在继续占据着水、煤气输送、电线套 管、建筑结构等低强度的钢管市场外，在石油管、机械用管、锅炉管、汽车传动轴管、 高压流体输送等高精度、高强度结构用管领域，与无缝钢管展开了激烈的市场竞争。焊 管行业同样面l 临着经济全球化和社会信息化的挑战，为了提高竞争力和满足产品多样化 要求，我们必须研究新的焊管成型技术，适应变品种、变批量、多品种、少批量的生产需 求。因此，提高生产效率和降低成本成为当今研究的重要课题之一。 直缝焊管的成型过程复杂，理论上属于弹塑性、大变形和接触非线性多重非线性耦 合问题，进行理论分析和实验研究十分困难。在实验研究方面，电测法不能测量管坯与 轧辊接触以后管坯的变形，在数值模拟方面，有限元法也存在建模困难、边界条件复杂、 不易收敛、计算量大等问题，目前还没有完整的数值模拟研究工作。缺少实验和数值计 算结果支持的焊管孔型和辊型设计只能采用经验设计方法，导致设计周期长，成型机组 力能参数设计较难满足安全和经济性的原则。 无论是连续辊式成型还是排辊成型，因为缺乏数值模拟结果的科学指导，工程实践 中，轧辊辊型的设计主要采用经验设计方法，成型辊和成型工艺设计的合理性必须通过 生产实践检验。合理的孔型和辊型设计往往需要从设计到实践和从实践到设计反复循环 才能完成，周期长，成本高，很难满足市场经济的需要。 通过数值模拟了解钢管在成型过程中的力学行为，为孔型、辊型和成型工艺设计提 供依据，推动焊管轧辊和成型工艺的设计从经验设计方法过渡到基于数值模拟的设计方 法，发展新的焊管成型工艺和辊型设计是本课题研究的主要目的。 1 2 焊管的生产与研究现状 1 2 1 中小直径直缝焊管( 以下统称“焊管”) 成型技术的发展 1 2 1 1 辊式成型法【1 1 辊式成型法，如图卜1 所示 图1 1 辊式成型法 豁 图1 2 圆周弯曲法辊花图 第一章绪论 1 2 1 1 1 单半径辊式成型法1 2 1 1 3 1 单半径辊式成型法有圆周弯曲成型法和边缘弯曲成型法两种。 2 0 世纪4 0 5 0 年代，焊管的成型工艺主要采用单半径辊式成型方法。即成型机水平 辊、立辊交替布置，带钢从水平辊、立辊中间经过，逐渐由平板弯曲成圆管。圆周弯曲成 型法是在带钢整个宽度方向上同时弯曲变形，其弯曲半径是逐渐减小，如图1 - 2 所示。而 边缘弯曲成型法是从带钢的边部开始弯曲，逐步增加变形角，同时减小带钢中间部分的 宽度，直到钢带成封闭圆，如图卜3 所示。单半径辊式成型法的钢带边缘被拉伸，为了保 证钢带边缘拉伸量小于1 ，防止产生波浪和鼓包，通常采用加长变形区长度的方法，使 总的变形区长度等于5 0 6 0 倍焊管最大直径，变形量由各水平机架间平均分配。圆周或 边缘弯曲成型的方式消耗功率大，成型辊数量多，成型变形区长度大，生产成本高。 ， 矮麟 么 歹 愆勘 图卜3 边缘弯曲法辊花图图卜4 双半径成型法辊花圈 1 2 1 1 2 双半径辊式成型法( 综合弯曲成型法) 如图卜4 所示，在单半径辊式成型法之后，发展了管坯边缘与圆周综合弯曲变形的双 半径成型法，它以挤压辊孔型半径或成品管半径为边缘弯曲半径，将带钢边缘弯曲到某 一变形角，并在以后各成型架次基本保持不变，而带钢中间部分的弯曲成型则按圆周弯 曲成型法进行变形分配。虽然这种成型方法融合了边缘和圆周弯曲成型法的优点，成型 过程较稳j ”“? 一”4 “。i i 。”。“j 。”“= “+ 。8 “”“” 定，变形 均匀，边 缘相对伸 长小，成 型质量较 好，但仍 未避免单 半径辊式 成型的主 + 一，口。m 。女，? i * 一 i 一 z ”? r 一。一t 要缺点。图卜5 排辊成型法示意图 连续辊式成型的特点是成型效果好，但通用性差，边缘成型质量和第一架轧辊的孔 型设计关系很大。 2 第一章绪论 1 2 1 2 直缘成型法( 排辊成型) 直缘成型法( 排辊成型) 。如图1 5 所示。 排辊成型起源于美国。2 0 世纪6 0 年代，在生产实践中，人们发现有两种途径可以减 少边缘拉伸：一种为下山法成型：另一种为取消立辊，在焊接的笼形框架上安装一些小辊 子以代替水平机架问的立辊，防止弹性变形，减少带钢边缘延伸量，从而减少了管坯的边 缘折皱，这种方法称为半排辊式成型机结构。虽可生产壁厚与管径比t D i 5 的薄壁管， 但由于水平机架数量仍很多，笼式排辊数量也很多，为克服这些缺点，人们又发展了直缘 成型法( 亦称全排辊式成型法) ，大大缩短了变形区长度，让带钢自然成型，管坯边缘拉伸 大大减少，同时减少了功率消耗和冷弯成型辊的磨损，可生产t D S ：_ 1 的薄壁管。 排辊成型的特点是通用性好，但成型质量低于连续辊式成型。 1 2 1 3 带立辊群的辊式成型 法 从2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代 初，直缝焊管向生产t D 5 的厚壁管 的方向发展。为了提高焊管成型机的 刚度。以便生产厚壁管，采用了先弯边 的方法，前面设置连续4 架水平机架， 中间设置被动2 4 架立辊( 称为被动 立辊群) 以强力使钢带变形，后面是 3 4 架精轧水平机架，这种机组可生 产t D = - 7 的焊管，如图1 - 6 所示。 1 2 1 4 “W ”双半径孔型系统 “W ”双半径孔型系统，如图1 - 7 所示。 图1 - 6 带立辊群的辊式成型机 图1 - 7 “”双半径孔型变形花 “w ”双半径孔型系统也称为w 反弯弯曲成型法。粗成型段第一架或前几架采用“w ” 反弯弯曲成型，带钢边缘部分正向弯曲，中间部分反向弯曲，增加了边缘部分弯曲弧长， 使边缘变形充分，由此改善了边缘状态，而且管坯在成型过程中高度差较小，使边缘相对 3 第一章绪论 延伸大为减小，避免了边缘纵向伸长引起的鼓包，同时缩小了圆周速度差。 1 2 1 5F F 成型法( F l e x i b l eF o r m i n g ) 2 0 世纪8 0 年代中期，日本中田机械制造所研制出高效能的F F 成型机，粗成型段用一 套公用冷弯成型辊即可完成本机组所生产的各种规格。其规格范围为： D m a x D m i n = 3 ：l ；t D = l 1 0 0 , 4 。 精成型段与传统精成型机架相同。粗成型纵向变形采用下山法，水平机架第一架为w 孔型，以后各架为双半径孔型。边缘及其附近的弯曲采用具有渐开线曲率的成型辊来实 现，即不同外径的钢管用同一套冷弯成型辊的不同曲率半径的部位进行轧制，如图1 - 8 所 示。水平机架由辊式成型法的只有1 个自由度( 水平辊的上下调整) 增加到3 个自由度， 即增加了水平辊在管坯横向截面的横向调整和旋转调整。立辊机架也由辊式成型的只有 1 个自由度( 立辊的对中调整) 增加到3 个自由度，即增加了立辊的上下调整和管坯横向 截面的旋转调整，如图1 _ 9 所示。这样就能使管坯在成型过程中始终保持边缘弯曲良好， 管中部弯曲借助边缘弯曲力和中间助力辊来实现。该成型机使管坯在成型过程中无论是 纵向变形还是横向变形所受压力最小，焊缝平直，不易歪扭，精成型后管坯边缘变形极小， 高频焊接后焊缝质量优良。 圈1 8F F 成型法示意图 图l _ 9 立辊F F 成型法示意图 1 2 1 6C T A 成型法( C e n t r a lT 0 1 1A d j u s t m e n t ) 1 9 8 7 年，奥地利钢铁联合公司研制出第一套采用C T A 成型法的焊管机组，C T A 直译 为冷弯成型辊集中调整。 C T A 成型机( 如图1 - 1 0 所示) 由四部分组成：两个通用的预弯机架和一个弯边机架， 一个专门的C T A 装置取代4 5 架传统的二辊平辊机架及其立辊装置。C T A 装置以生产 圆管为主，改变规格尺寸时，只需调整辊片的位置即可实现改变，冷弯成型辊调整时，其 移动呈直线性。在粗轧台架上执行第一道粗轧工序，平直钢带坯料进入两架装有上凸下 凹成型辊的预弯机架，被冷弯成型辊轧制成圆弧形状，即圆周弯曲的成型工艺( 见图卜1 0 ( a ) ) 。然后，弧形钢带进入弯边机架，在左右各一组凸凹耦合辊的作用下，钢带两边缘部 分产生更大的圆弧形变形，即边缘弯曲的成型工艺( 见图卜1 0 ( b ) ) 。而钢带中间部分基本 保持前道工序形成的形状，并继续进料，进入C T A 装置。在C T A 装置中，由于许多排辊 的连续作用，钢带穿过成型机后就被连续、光滑地轧制成开口约为3 2 0 的开缝管，即排辊 4 鹫 (+卜l_1 第一章绪论 成型工艺( 见图1 - 1 0 ( c ) ) 。最后，开缝管进入精轧机架，在上辊带有导向环的精轧孔型中 完成精成型( 见图1 - 1 0 ( d ) ) 。完成精成型的开缝管进入挤压辊，经过焊接、压光、冷却后 进入定径机架。 预弯机架弯边机架C T A 装置糟轧机架 、 ( a ) 粗轧孔型 ( b ) 边缘弯曲孔型 o ( c ) C r 成型孔塑( d ) 精轧孔塑 图1 1 0C T A 成型机和各部分带钢横截面图 当该机组生产方矩形管时，整型机架是万能式辊组，改变产品规格时，只需调整4 个 交错布置的平、立辊位置，即可实现生产方矩形管的要求。 由此可见，C T A 成型法实际上是在排辊成型技术的基础上，增加了弯边机架和高度 自动化的可编程系统，全部调整都能在输入简单的产品数据后自动进行，从数字显示器 上可以识别成型辊的位置，并且在全部产品范围内不必换辊( C 1 A 装置的排辊孔型是渐 开线) ，因此，C T A 成型技术是更高层次上的直缘成型技术。 1 2 1 7C B R 成型法 日本川崎钢铁公司通过对笼式成型技术特性的研究，开发出一种新颖的焊管成型工 艺无鼓肚变形辊成型法( 亦称C B R 成型法) 。适用于生产高质量、多品种、小批 量的不锈钢焊管。C B R 成型法的变形有5 个设计半径，在封闭孔前使钢带边部和中部弯 曲成一个椭圆形管坯( 见图1 - 1 1 ( a ) ) ，再经闭口孔辊架使两侧腰部鼓弯变形，而管坯圆周 方向的变形是在每一个闭口孔中间同时进行的( 见图卜1 1 ( b ) ) 。采用该法研制的C B R 成型机己应用于日本川崎钢铁公司爱知厂不锈钢焊管生产线上。管坯的缩径量比传统成 型法减少1 2 以上，因而增加了屈服强度，防止冷作硬化。同时由于公用辊的使用，使机 5 第一章绪论 架数量减少，辊耗也大为减少，焊接性能大大改善，因此，不锈钢焊管的成型和焊接质量 显著提高。 o ( a ) 开口孔( b ) 闭口孔 图卜1 1C B R 成型区横截面图 1 2 1 8T P F 成型法【4 】 ( 1 ) 采用分部成型方法，明确各道次的成型目的：第一道采用“w ”成型弯曲带钢 边缘( 如图卜1 2 ( a ) ) ，优化各种规格的边缘成型半径，使每一个弯曲半径都能涵盖部分规 格的成品管曲率半径：第二道水平辊弯曲带钢中部( 如图1 - 1 2 ( b ) ) ，使带钢逐步形成 “u ”形：第三道水平辊弯曲“u ”形的两直线边( 如图1 - 1 2 ( c ) ) ，使带钢形状接近双半 径截面，以便进入立辊组对带钢进行三点式弯曲：第四道水平辊起辅助成型和递送作 用( 如图1 - 1 2 ( d ) ) ：立辊组对带钢进行三点式弯曲( 如图1 - 1 2 ( e ) ) ，使成型截面收缩变 形，直到进入精成型段( 如图1 - 1 2 ( f ) ) 。 一衄 8 ) 簟一道变形( b ) 第二谨变形l c ) 第三递变形 筒幽 d ) 四堰受彤e ) 弟五堰受形f ) 第六遁受形 图卜1 2T B F 成型工艺过程示意图 ( 2 ) 采用多半径组合辊片，最大限度地提高轧辊的共用性。在一定的规格范围内，优 化边部弯曲半径，使一件轧辊能满足不同规格成品管的成型要求：优化带钢中部变形，按 照等比收缩的原理，合理选取中部压辊的辊形曲线，使轧辊能满足不同规格成品管的成 型要求。 6 第一章绪论 ( 3 ) 采用三点弯曲成型原理( 如图1 - 1 2 ( e ) ) ，减小对带钢中部的约束，使中间成型段 自然成型，降低轧制磨擦，提高成品管表面质量。 ( 4 ) 加强立辊的成型作用。提高装辊密度抑制轧制回弹，有利于带钢的纵向变形。 ( 5 ) 采用带钢中心不变的下山成型，使带钢的边缘延伸相对中部延伸最小。 1 2 2 大口径直缝埋弧焊管成型技术的发展【5 1 1 6 生产油气输送管道用大口径直缝埋弧焊管( 2 0 6 4 i n ) 生产机组的成型方式主要有 U O E 法、R B E 法、c 成型法、J C O E 法、H U - - - M E T A L 法以及全排辊成型法等。随着人 们的实践和研究的深入，一些成型方法被淘汰，一些成型技术被推广并且取得了新的进 展。 1 2 2 1U O U O E 成型技术的进步 U O 是焊管成型过程中的两个重要设备u i n gp r e s s 和O i n gp r e s s 的英文缩写， 即是将边部预先按要求弯曲后的钢板分别在U 成型机和O 成型机内压成u 形和O 形， 然后再将O 形管筒焊接后对之进行扩径( E x p a n d i n g ) 加工。该工艺是目前世界上应用最 多、最成熟、质量最被认可的大口径直缝埋弧焊管生产工艺。 U O 成型法除弯曲变形外，还包括沿钢管环向的压缩变形( 0 2 9 6 O 4 ) ，这是U O 成 型区别于其他成型法的重要标志。由于在O 成型时对钢管整个圆周进行了压缩，使得沿 钢管壁厚及圆周方向上的残余应力均匀化，扩径后钢管内的环向拉应力很小，甚至为压 应力，避免了钢管承压能力的降低。 尽管u O E 机组历史悠久，主要工艺技术早已定型，但近年来在u 0 成型机的设计上 仍有不少新发展，主要表现在以下方面。 ( 1 ) O 成型采用钢管中心恒定技术 O 成型机采用钢管中心线恒定的成型方式，与通常采用的钢管底部恒定成型技术相 比较有如下优点： 使主变形液压缸行程缩短，设备高度及其所要求的检修高度均降低，从而降低了 设备及厂房建设投资：由于液压缸行程缩短，无需设置复杂的中间垫块，使更换生产规格 更加简便。 成型工具可设计为两部分，一部分为模座( 对生产的所有规格其尺寸均不变) ，另 一部分为装在模座内的衬模( 1 种尺寸的衬模对应1 种产品外径规格) 。成型时钢板与上 下衬模直接接触，钢管规格变换只需更换上( 下) 衬模，而尺寸及重量较大的模座始终不 需要更换。与通常采用的整体更换上( 下) 模座方式相比，其工具消耗及备用工具量均大 大降低。生产成本下降。 ( 2 ) O 成型机主液压缸采用二段式变径液压缸 将O 成型机主液压缸设计为二段式变径液压缸( 上部为小直径段，下部为大直径段) ， 压下变形初期成型力较小，可仅使小直径活塞段承压，确保了液压缸在小压力下的快速 行程( 可兼快速压下缸使用，无需另外设置多个长行程快速缸) 。在压下变形的后期，随着 模具与钢板接触面积的增加，需要施加的变形力逐渐加大，此时液压缸可以在大小两活 塞杆的共同作用下施压，实现慢速大压力成型。 7 第一章绪论 这种设计由于2 段柱塞均可起导向作用，使液压缸具有双导向支撑功能，且成型过程 中支撑间距始终恒定，可有效降低成型偏载力对液压缸的不利影响，起到较好的保护作 用。 ( 3 ) 设置快速更换工具装置 0 成型机的工具更换比较复杂，占用的时间也较长。为提高设备利用率，开发了工具 快速更换装置。更换工具时可将上压模降至下压模上，由小车将二者一同沿轴向拉出O 成型机。在后台由横移机构将需换下的模具移出生产线，同时将预备好的新模具移至生 产线，然后将新模具送入成型机。采用工具快速更换装置可在约1 5 h 内完成模具的更换， 而无快速更换装置时一般需要4 h 。 ( 4 ) 开发数值分析模型及模拟试验机 为适应管道建设各种各样的新要求，一些厂家开发出适用于管线管生产研究的有限 元分析模型，可对各种条件下的管线管生产进行模拟计算。计算工序包括弯边成型、U 成型、O 成型以及扩径等。通过计算可以对各种工艺参数进行优化选择，进而指导生产。 另外，为研究各钢种对成型的影响，国外在开发计算模型之外还专门开发了大口径 直缝焊管模拟试验机，可在1 台试验机上实现弯边、U 成型、O 成型以及扩径等大口径 直缝焊管生产的主要操作工序。 1 2 2 2P F P 成型技术的进步 P F P 成型技术是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种大口径直缝焊管生产的新技术。根 据其成型机上压模的尺寸不同又分为渐进式模压成型( P r o g r e s s i v eF o r m i n gP r o c e s s ) 和 渐进式折弯成型( P r o g r e s s i v eF o l d i n gP r o c e s s ) 两种。前者生产能力适中，适用于生产大 口径油气输送用管，后者则适用于生产超厚壁( 可达6 0 m m ) 的压力容器或机械结构用管， 但其生产能力很低( 注：2 0 世纪7 0 年代法国开发的c 成型法以及9 0 年代中国台湾开发 的J C O 成型法，其成型原理均与P F P 大体相同，只是开发商对其称谓不同罢了) 。 P F P 成型工艺采用1 台成型机可取代U O 成型工艺的2 台( U 、O ) 成型机，加之成型 设备轻，成型工具小、重量轻、更换方便，因此特别适用于小批量、多品种、生产能力适 中的机组，具有较大的市场灵活性。目前P F P 工艺生产的钢管长度最长为1 2 2 m ，而生产 管长达1 8 3 m 的机组正在建设中。 P F P 工艺的主要技术特点及新进展如下： ( 1 ) 采用大型双支撑框架式设计结构 P F P 成型机采用大型框架式设计结构，当生产最大管长达1 2 2 m 的钢管时，其框架为 双支撑式结构，即在成型机的两端各设置1 片牌坊，用于对上横梁提供固定支撑。牌坊立 柱一般采用预应力双拉杆式，重量轻、刚性大，运输及安装方便。 ( 2 ) 下模座具有动态补偿功能 成型机工作时，钢板在1 个上压模及2 个下模之间弯曲变形。成型力由上部主液压 缸通过上压模施加于钢板上，并作用在下部的2 块问隔一定距离的下模上。下模受力将 产生弯曲变形，因而会对成型钢管的直度产生不利影响。为此在下横梁中设置了下模变 形补偿液压缸，通过位移传感器来控制液压缸的行程以进行下模的平行性控制和弯曲 变形补偿控制，使成型钢管平直。同时这些液压缸还可对下模的整体位置进行控制，以适 8 第一章绪论 应钢管规格的不同变化。 ( 3 ) 长1 8 3 m 管成型机的开发 当生产长达1 8 3 m 的钢管时，由于P F P 成型机横梁长度加大，仅设置双支撑将难以保 证上横粱不产生过大的弯曲变形，因此开发了上横梁的3 支撑技术( 在成型机中间位置再 设置1 个固定支撑) ，这样可解决长管成型刚性不足的问题。当然，由于P F P 成型过程中， 钢板是从一侧上料的，因此3 支撑方式将使成型机的尺寸增加很多。据悉这种成型机已 在俄罗斯伊诺尔斯克钢管厂使用。 ( 4 ) 钢板进给机构的步进控制 P F P 成型工艺钢板是从成型机的一侧由进给机构逐步送入进行压弯成型的，当钢板 的一半完成成型后，钢板被送到成型机的另一侧，同样由进给机构逐步将钢板反向送进， 对钢板的另一半进行压弯成型。进给机构可以实现自动步进控制及平行度控制，避免出 现成型质量问题。整个成型过程( 除最后一步或几步成型步骤外) 基本可实现自动操作。 目前，我国的巨龙钢管有限公司采用J C O E 工艺已为“西气东输”工程提供了大量 的X 7 0 钢级管线管，X S 0 钢级管线管也于2 0 0 4 年研制成功。 1 2 2 3 辊弯成型法( R B R B E 法) 辊弯成型是钢板在三辊或四辊之间经多次滚压，最终弯曲成所需的圆筒形状。这种 成型工艺出现得较早，以前主要用于生产外径较大( 可达4 5 0 0 m m ) ，长度较短( 3 6 m ) 的压 力容器、结构管及水管，其年生产能力很低，一般不足2 万t 。 1 2 2 3 12 0 世纪9 0 年代R B 肥E 机组的发展 在2 0 世纪9 0 年代初，为适应发展中国家油气输送用直缝焊管生产机组的建设要求， R B R B E 成型机组得到了大力发展。其主要特点如下： ( 1 ) 上辊预变形 在生产较长钢管时，R B 成型机辊系将产生较大的挠曲变形，为此在机架外对上辊延 长部分施以反向预变形，对机架内部参与成型的上辊因受压而产生的弯曲变形进行补 偿。 ( 2 ) 下辊设置多段支撑座支撑 可大幅度提高下辊刚度，即使采用小直径下辊也能够保证下辊的平直度。 ( 3 ) 3 个成型辊均为传动辊 可使成型辊的磨损及破损量减小，能耗降低，成型平稳，且钢板无打滑现象。 ( 4 ) 成型之后增加后弯 在辊弯成型之后增加后弯( P o s tb e n d i n g ) 工序，对成型管筒开口缝处两个板边未变 形的直线段施以弯曲变形，可以改善管筒开口缝形状，提高焊缝的质量。 ( 5 ) 设黄预焊机及扩径机 生产线设置连续式预焊机及机械扩径机，可进一步提高焊缝质量和钢管尺寸精度， 改善钢管的力学性能。 具有上述特点的R B R B E 机组可以生产长度达1 2 2 m ，钢级达X 7 0 ，壁厚达2 5 n u n 的 焊管，年生产能力可达1 0 2 0 万t 。其产品在使用性能和可靠性上接近U O E 焊管，得到 了广大用户的认可，因而在发展中国家应用广泛，如韩国建设了8 套R B R B E 机组，印度、 9 第一章绪论 印尼、伊朗各2 套，乌克兰、巴西、苏丹、埃及、阿根廷各1 套，等等：在发达国家也得 到应用，如美国及德国各建了1 套。 由于R B R B E 机组具有设备投资少，生产灵活，可适应小批量生产的特色，也可将R B 成型机与其他成型机组合应用，如德国欧洲钢管公司将R B 成型机与U O 成型机组合在1 个车间，对于批量大的订货由U O 成型机生产，而对于小批量且钢管长度不超过1 2 2 m 的 订货则由R B 成型机生产。另外在日本、印度均有R B 成型机与其他成型机组合生产的 钢管厂。 l 缀2 一I “镪一P 瓣弘例擞 幽1 - 1 3 设置上横梁的R B 成型机1 1 4 移动压板式R B 成型机 1 2 2 3 22 1 世纪I m I m E 机组的新发展 进入2 1 世纪以来，为顺应管道市场的变化，又开发了一些有关R B R B E 机组的新技 术。 ( 1 ) l i B 成型机设置上横梁，由牌坊内的主液压缸控制与上辊一起移动，如图卜1 3 所 示。成型时上辊将成型力传给上横梁，由于上横梁尺寸可以设计得很大，刚性极好，可有 效地保证成型钢板尺寸精度。成型力主要由高刚度横梁承受，因此可采用较小直径的上 辊，且用1 种辊径的上辊即可覆盖全部产品规格，从而使工具成本大幅度降低，产品质量 得到提高。 另外，对于高钢级、厚壁钢管的生产，还可以在上横梁内沿钢管长度方向设置多个液 压缸，对上辊进行变形补偿，进一步改善成型质量。生产的产品钢级扩大到X 8 0 ，最大厚 度可达3 0 m m 。 ( 2 ) 借用模压成型法用移动压板控制上辊位置 将模压成型原理引入R B 成型机，在上横梁内设置液压缸，其下与压板相连，压板下 端设上成型辊，如图1 - 1 4 所示。成型过程中压板在液压缸作用下带动上辊对钢板进行压 弯变形( 同时上辊仍可对钢板进行辊弯变形) 。这种新式R B 成型机结合了辊弯和压弯成 型两者的优点，又避免了老式R B 成型上辊强度不足以及P F P 渐进式成型( 属多边形成型) 的形状与内应力波动变化的缺陷。另外，由于保留了沿圆周方向连续变形的特点，其成型 速度较快。 采用该新技术，就可对先经预弯边的钢板进行成型，即允许在成型机前设黄预弯边 l O 第一章绪论 机。这就较只能设置后弯工序的老式R B 成型机，更适合于生产厚壁、高钢级的产品。此 种新式R B 成型机已在伊朗得到应用。 采用上述新技术的R B R B E 机组的产品范围不断扩大，可生产外径4 0 6 1 6 4 0 m m ( 2 0 3 2 m m ) 、壁厚6 4 4 0 0 r a m 、管长6 0 1 2 2 m 、最大钢级达X S 0 的钢管，其最大生产能力 为2 0 根m 。 1 2 3 焊管的国内外研究现状7 】【8 l 焊管属于辊式冷弯成型，与无缝钢管相比，具有设备投入小，钢管尺寸精度高的优 点，是一种用途广泛的高效型材。焊管成型是使带钢在横断面上不等曲率弯曲和纵向变 形连续进行的综合过程。带钢在形成管子过程中的变形主要表现在连续的横向和纵向变 形两个方面，横向变形的约束力通过轧辊的孔型来实施，纵向变形的约束则是靠机组机 架的布置来实现。在整个变形过程中表现为横向连续弯曲的收缩过程，其中伴随部分回 弹发生。因此其理论解析比较困难，目前还没有统一的数学模型，也没有完整的数值模 拟研究工作。 目前，成型过程的分析方法主要分为五类，即整体几何分析法，实验法，能量法，有 限元法和C A D 法。 整体分析法。整体分析法是不考虑成型辊对带钢成型的局部影响，以成型区中的管 坯整体为研究对象。它通过比较各种成型方法中管坯边缘的总体延伸来鉴别这些方法的 优劣。 实验研究法。实验研究法就是对于所要求解的问题不同设置不同的实验装置。日本 有九个工厂用厚度为1 8 ，2 3 ，2 4 ，3 6 ，3 8 毫米的带钢焊接直径6 0 5 毫米的钢管，下辊 的调整分下山、上山和水平三种，并采用不同的孔型系统，不同的成型辊布置形式和不同 的机架间距，由各厂分别进行试验。通过测量和计算，求出了钢管外表面的带钢变形量。 电阻应变片法在实验法测定中起到了很重要的作用。西德G 狄盖斯1 9 1 用电测法研究 了焊管成型过程中的带钢变形，原苏联以及其他国家，普遍采用电阻应变片来测量成型 过程中的纵向变形。电阻应变片法能精确地测量成型过程中的变形，具有灵敏度高、惯 性小的优点，尤其是，这种方法能远距离测量多个点的变形。天津理工大学的温殿英等 用应变片的方法在液压万能试验机上研究了成型区内金属的应变【l0 】。但是电测法不能测 量管坯与轧辊接触以后钢管的变形。 此外，加拿大T e r r y r w a l k e r 等人还特意设计了模拟实验装置来研究电焊管成型的轴 向应变分布【1 1 】。 能量法。能量法是指通过建立含有若干待定系数的全能或全功率范函，然后对该能 量或范函取极小化来确定这些参数，进而确定物体变形的分析方法。能量法最早是在 1 9 6 2 年由r H 古恩应用到物体变形分析中去的，他用能量方法分析了角材的连续弯 曲【”J 。在确定板材成型变形状态方面，最初由r A 斯米尔诺夫阿拉耶夫和r 免古 恩提出来的1 b J 。古恩在分析中作了一些简化假定：( 1 ) 管坯的横截面始终为平面并垂直于 轧制轴线：( 2 ) 垂直于轧制轴线的每个断面上的中性面宽度不变并等于带钢的初始宽度。 通过联立拉格朗日坐标和欧拉坐标方程来确定主变形及变形强度、应力强度，进而计算 第一章绪论 内力的全部功，利用拉格朗R 中值定理，并设外力功恒定，确定未知函数，最后求出内力 功的极小值。文献 1 3 的管坯变形分析工作是：( 1 ) 假设管坯在变形区中的构形是已知的， 它由成型工具的孔型所决定的横断面形状按设计规律均匀变化。( 2 ) 建立拉格朗日坐标 系和欧拉坐标系，用拉格朗日坐标系与带钢中性面联系起来，中性面上的每个点便与成 型过程中不变的两个数( x ，Y ) 相对应。将变形区的中性面计入欧拉坐标系( x ，y ，z ) 。引入 两个第一类二次型曲面之差，即与成形区中性面相应的d s 2 和与带钢中性面相应的d s 2 之 差： 西2 一嬲2 = d x 2 + 咖2 一d X 2 一d Y 2 = 2 d 阮, 1 6 ( 1 - 1 ) 可求出应变张量分量s 。，s ，z 。 采用以下边界条件：成型区最左边的横截面( 即带钢的对焊边缘) 及成型区的最右 边的断面均不受力。由于成型力垂直于成型区表面，且成型区几何形状不变，因此在可 能发生的位移中外力所做的功等于零。成型区中性面的内力功： - ，= 广础。 d X d Y 俩嘲 m z ， 式中的应力张量分量按全量理论计算： c r F - a S u = ( 2 盯，3 v ) ( 彩一g S ) a 口= 3 K s ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 式中o v ，8 v 一分别为应力和应变强度 o ，一分别为平均应力和应变 一体积弹性模量 将X 表示成含有2 5 个变分参数的X ，Y 表达式，通过计算内力功的极小化来确定。 这种分析方法属于全量型能量法，不能考虑变形历史的影响。 目前日本学者木内学等人建立的数学模型应用比较广泛【1 4 1 。现将其思想介绍如下： ( 1 ) 采用平断面假设并假设相邻两个平断面可以整体的沿纵向伸缩，以使断面上纵 向力的合力为零。相邻两机架间管坯的构形借助于形