扩径后钢管冲洗设备中悬臂的设计及反变形工艺方法

1、扩径后钢管冲洗设备中悬臂的设计及反变形工艺方法杨光彩（攀钢集团成都钢铁有限责任公司，四川 成都 610066）摘要：扩径后钢管冲洗设备是“西气东输”工程的配套设备，作用在于清洗焊管扩径时润滑油脂对钢管的污染。本文主要介绍冲洗设备的内冲洗部分的关键构件悬臂的设计及反变形工艺方法。关键词：冲洗设备、悬臂、设计、反变形工艺译文、前言我国“西气东输”工程，从国外引进了两条大口径直缝焊管生产线，该生产线可生产外径406.41422.4mm，厚度6.438.1mm，长度812.02m的直缝焊接钢管。钢管在焊接后需要进行扩径处理来矫正焊接产生的变形，但扩径使用的润滑油脂对钢管形成了污染，就必须对其内外表面进

2、行清洗处理，以利于钢管的表面防腐、焊接等。为了给焊管生产线配套，我厂承接了设计、制作冲洗设备的任务。冲洗设备的组成有：内冲洗装置、外冲洗装置、平衡提升机构、汽缸悬臂支撑、外部防水装置等。该冲洗设备适用于外径406.41422.4mm，厚度6.438.1mm，长度812.02m的钢管冲洗要求。冲洗设备的设计，采用钢管移动，内外冲洗装置均固定的形式。1、 悬臂的结构设计内冲洗装置中最关键的构件是的悬臂。悬臂组成：外管、外管内布置乳化液管和水管、自由端装有两道环形喷口的内喷头。在进行内冲洗工作时，钢管在辊道上行进的过程中，悬臂伸进钢管内，悬臂末端的内冲洗喷头喷出高压乳化液和低压清洁水，实现两次管内清

3、洗。 要满足对12m长钢管的冲洗，悬臂长度必须大于12m，最大外径必须小于最小冲洗钢管的内径330 mm。从悬臂的工作状况、抗弯截面模量、加工工艺、材料采购等多方面分析，只能选用E325mm×13mm的钢管作为悬臂的最大外管。设计要求，悬臂在正常工作时不能出现超过5mm的挠度，方可伸进最小内径的钢管内进行冲洗；而当冲洗大直径钢管时，喷头距内壁环面的距离需相等，才能达到均匀冲洗的效果。如果整个悬臂外管都采用E325mm×13mm的钢管制作，悬臂外管自由端由于钢管的自重而产生的挠度为y=-ql4/8EI=230mm。如果再加上工作状态下内置乳化液、清水及其管道以及自由端的内喷头

4、等自重，悬臂的挠度还会更大。 悬臂外管实际设计方式为阶梯状的变截面梁，由E325mm×13mm×4200mm、E299mm×13mm×4200mm、E273mm×13mm×4500mm三种规格的钢管组焊而成。包括悬臂外管、内管、内喷头的悬臂结构 图1 悬臂结构简图如图1所示。 悬臂自由悬空状态下，固定端为弯矩最大处，采用较大直径管；越靠近自由端，弯矩越少，采用较小直径管。这样，悬臂的受力分布合理，抗弯截面模量随该截面承受的弯矩基本呈正比变化，且此结构相对于整段采用E325mm×13mm的等截面结构节约材料20%。2、 悬臂由

5、于自重产生的挠曲变形.根据材料力学理论计算悬臂自由悬空状态下的挠曲变形悬臂成阶梯状的外管加上内管及管内液体的重量，其受力形式可以分解为3个大小不同的均布载荷，管端的内喷头为一个集中载荷，载荷如图2（a）所示。分段讨论悬臂的挠度和转角，如图2（b）、(c)、(d)所示： 图2 悬臂载荷图及各段的变形示意AB段受均布载荷q1、集中载荷P2P3P4q2L2q3L3P4和弯矩M1q2L22/2q3 L3（L2L3/2）P4（L2 L3）的作用；BC段受均布载荷q2、集中载荷P3P4q3L3P4和弯矩M2q3L32/2P4 L3的作用；悬臂CD段受均布载荷q3和集中载荷P4的作用。根据材料力学的挠曲线和

6、转角方程公式，代入各已知条件，求得结果见表1：表1 悬臂各段端截面的挠度和转角计算结果 位置参数AB段B端BC段C端CD段D端挠度YB挠角B挠度YC挠角C挠度YD挠角D计算量20.15mm0.00882rad12.53mm0.00507rad4.92mm0.00155rad则，自由端的挠度YDYD1 YD2 YD3 YBB（L2L3）YCCL3YD137.15mm 2.2有限元分析 使用Unigraphics NX2 的有限元分析模块进行应力、变形分析，悬臂采用20号钢管焊接而成，弹性模量E=200GPa，密度=7850Kg/m3，重力加速度为9.8m/s2。以图1的结构为基础（未计工作时管内

7、液体的重量），建立计算模型。考虑每段钢管接头处套入长度均为150mm，负荷为重力负荷，重量由计算机自动计算，喷头端简化为集中重力载荷1500N，另一端为固定端，简化掉对计算影响较小的焊缝、坡口，单元划分采用三维四节点四面体单元，设置单元格尺寸为76.2mm，由软件进行局部自动细分，共计划分118026个单元，226592个节点，计算结果如图3、4所示。图3 悬臂挠曲变形图图4 悬臂应力图由图3、4可知，最大位移发生在喷头部，为136.4mm；最大应力发生在固定端根部，为97.52MPa，软件分析所得准确率为96.67%，与上述理论计算值相符。2.3实际测量值：焊接完成后悬臂水平悬空，实测自由端

8、的下挠量为130mm。2.4结论：从上述分析计算可以看出，对于冲洗较小直径的钢管，悬臂根本无法伸入；而对于大直径的钢管，悬臂末端的内喷头到钢管内壁的距离在各个方向不相同，无法满足均匀冲洗的要求。因此，必须对悬臂采取反变形的措施。从（图4）得知，悬臂固定端的横截面上顶点有最大拉应力，下顶点有最大压应力，均为97.52MPa <=130 MPa，故悬臂满足强度条件；悬臂材质为低碳钢，具备进行反变形的条件。3、 反变形施加位置和反变形量3.1确定位置设q1、q2、q3、P4综合作用下，悬臂各段的挠度曲线方程表示为YIX，曲率K为KYIX/（1YIX2）3/2当YIX0时，KmaxYIX，则求出

9、悬臂最大曲率，即曲率半径最小处。由此可找出弯曲变形最严重处，分别为A、B、C三截面，此三处即为反变形实施位置。3.2反变形量根据B、C、D相对于A、B、C截面的挠度值，反变形量应与上述挠度大小相等，方向相反。4、反变形工艺方法及原理4.1方法分别在A、B、C截面附近确定、并画出反变形加热区位置；在自由端施加向上的力，使悬臂末端上挠；从A截面附近第1点开始，以氧-乙炔火焰在划出的加热区域内将钢管加热700800°C；待加热区冷却后，撤除向上的外力；测量B点的挠度。重复上述操作，对A截面附近第2点、第3点进行加热，直到B相对A挠度接近零为止。同样对BC段、CD段实施上述工艺，直到悬臂在自

10、由悬空状态下全长趋于直线。反变形工艺实施过程中的有关实测数据见表2：表2 实测数据次数加热位置（距A端）/m加热带宽度/mm加热圆周角度/°加热温度/反变形段末首相对下挠度/mm自由端相对固定端下挠度/mm第1次0.45090 7508.882.3第2次0.835907502.952.6第3次1.22585700-1.035.2第4次4.640907503.013.7第5次5.13085700-0.12.1第6次8.840907501.2-1.6第7次9.330857000.1-3.1第8次0.6（下侧）2585700-0.2-0.5注：处理完成第7次后，实测悬臂末端发生了3.1mm

11、上挠，为此实施了一次无外力作用的矫正措施（即第8次）。4.2反变形工艺原理：加热时，由于加热区的金属塑性变形受到施加的外力和周围金属的约束，伸长受限；冷却过程中随着温度的降低，金属收缩，产生新的变形，使悬臂向上弯曲，抵消由自重引起的向下弯曲变形。图5、反变形实施工艺原理图4.3操作要点 （1）、对称加热。如图5（b）中左右两侧的加热角度、温度、加热带宽度尽量相等，两侧同时加热，以保证悬臂的反弯曲变形在垂直平面内发生，避免侧弯和扭曲变形。（2）、掌握好加热温度。温度过低，金属的变形抗力大，消耗的外力大，反变形效果不明显；温度过高，将产生过热、过烧，形成异常粗大的晶粒，机械性能显著降低，甚至发生脱碳和严重氧化等缺陷。5、结论经反变形处理的悬臂，自由端的垂直下挠度最终测量值仅2mm，小于用户要求的5mm，整个悬臂直线度在3 mm以内，基本无侧弯和扭曲现象，经用户验收，满足使