CAE管道成型技术

1、直缝焊管由于具有生产效率高、能源消耗低、成型质量好等优点，在液体输送、气体输送及结构用管中的应用越来越广泛。其成型工艺主要有辊式弯板法（RBE）、排辊法（CFE）、FFX柔性成型法、JCOE法和UOE法，前三种采用高频直缝焊接（ERW）技术，后两种采用直缝埋弧焊接（LSAW）技术。辊式弯板成型机组的构造是平、立辊+立辊组的形式，主要用于生产中、小直径焊管，所生产的钢管较短、生产率低、质量较差，由于其设备少且易制造，在多品种、小批量生产中具有较好的灵活性，仍被一些制管企业采用。排辊成型法是辊式成型法的一种改进，主要特点是在水平成型辊之间连续配置许多小辊，即所谓的排辊，使带钢边缘能够沿着一条平滑的

2、自然变形路径进行，减小了带钢边缘褶皱，这种工艺产品成型性好，质量较高，调整小辊的空间位置可适应焊管规格的变换，但是排辊调整十分复杂。FFX成型技术是由中田制造所开发的一种柔性辊弯成型技术，水平机架和立辊机架的轧辊完全可以共用，相比排辊成型方式，FFX成型少了精成型机和定径机，降低了用户的轧辊和设备费用，节省了换辊时间，提高了生产率。JCOE法和UOE法是生产大口径、大壁厚直缝焊管的有效方法，前者主要成型过程为板边预弯成型C成型O成型扩径，后者依次经过板边预弯U成型O成型扩径。JCOE法在成为O形后，仍然存在着各次“折弯”处的“转折点”，并且成为O形后在对缝处开口度很大，并且没有减径的“压缩”过

3、程，所以残余应力较大，扩径工序依然不能完全消除残存的应力。而U-O成型是连续应变，其屈服强度的增加量要多一些，工艺优于JCOE，成品管的质量更好。从全球石油天然气管道建设项目的规划来看，采用UOE工艺生产的长输管道用直缝焊管的需求量迅速增加。对比发达国家直缝焊管生产技术，我国直缝焊管成型工艺设计水平还有较大差距。国内先进的焊管成型机组基本以进口为主，机组引进方对成型工艺设计技术严格保密，所以国内工程技术人员仍利用“试凑”法来解决工程问题。直缝焊管成型是一个典型的非线性问题，理论解析比较困难。近些年，随着CAD/CAE技术的发展，塑性加工过程的仿真计算结果可信度越来越高。本文主要介绍运用CAD/

4、CAE技术进行ERW排辊成型与UOE焊管成型过程模拟与工艺设计，研究成型过程中板料的成型规律及成型机理，对于提高直缝焊管成型工艺设计水平具有重要指导价值。1 ERW焊管排辊成型技术ERW焊管排辊成型是将平直的带钢通过系列的孔型（开口闭口），使带钢逐渐地、连续地变形成为圆筒形。图1所示，整个机组沿板材成型方向分为5个部分，分别是夹送道次、弯边道次、预成型段、线成型段以及精成型段，每道次都涉及大量的轧辊，在实际生产中这些轧辊的位置调节是非常复杂的，这对ERW排辊成型的CAD建模提出了很高的要求，CAE模拟也有相当的难度。图1 排辊成型机组示意图上海交通大学精密成形与知识工程研究所通过数值模拟和理论

5、研究相结合的方法，分别从板带变形规律、花型设计、成型工艺参数设计以及轧辊设计四个方面进行研究。通过分析带钢在排辊成型中的变形规律，提出了适合直缝焊管排辊成型工艺的新花型设计方法，图2所示为244.5mm排辊成型机组新花型设计图。完成了ERW排辊成型全机组CAD/CAE参数化建模系统，如图2所示，该系统可以实现直缝焊管排辊成型过程的工艺参数管理、机组的轧辊设计、花型设计、成型工艺参数设计以及CAD/CAE建模仿真。图4为焊管排成型过程全流程数值模拟得到的各成型段板带的几何构型。图2 新花型设计示意图图3 ERW排辊成型CAD/CAE参数化建模系统图4 板带在各成型段的几何构型根据排辊机架的机构运

6、动特点和新花型设计方法，建立了一种直缝焊管排辊成型机组的工艺优化方法，为了验证模拟的准确性，在325*10.3焊管排辊成型机组上对关键道次变形管坯横截面轮廓的几何形状进行了测量，实测数据与仿真数据的对比如图5所示，计算结果与测量结果有较好的一致性，所提出的直缝焊管排辊成型机组工艺优化方法有较好的应用价值。图5 板带横截面形状仿真结果与实测值对比2 UOE焊管成型技术UOE焊管是以单张钢板做原料，成型过程主要经历预弯边、U成型、O成型、焊接和扩径等工序，如图6所示，涉及的工艺参数和模具结构参数众多，前道工序中的变形情况影响后道工序的变形形态，质量缺陷也将不同程度地被传递下去，对最终成型质量产生不

7、良影响，成型规律难以把握。图6 UOE焊管成型过程示意图1.上夹紧块 2.下夹紧块 3.弯边上模 4.弯边下模 5.U模具 6.限位挡块7.侧辊 8.上模 9.下模 10.预焊压辊 11.扩径块 预弯边过程采用分段压边形式，上模固定，下模向上运动进行折弯，待下模下降、钢板送入又一步长后，重复以上过程直至钢板两边完成预弯过程，其作用是获得接近成品管曲率的板边弯曲形状。U成型过程中U型冲头垂直下压对板料中间部位进行弯曲，达到限位挡块后，侧辊内移，继续弯曲板料的直边部分，侧辊撤回后板料回弹为近似U形，其作用是在能够进入O成型模具的前提下，获得接近成品管曲率的U筒底部弯曲形状和较高的U形筒两侧对称度。

8、O成型过程中，O上模下压U形管坯到设定位置，保压后O上模撤回，与管坯脱离接触，管坯回弹产生开口缝，其作用是通过施加一定压缩率以实现应力分布和管体各处曲率的均匀性，并控制合适的开口质量为焊接做准备。带有开口的管坯经过预焊机成型辊笼，由按一定角度分布在管体周围的九排压辊逐渐挤压成闭合管体，并进行合缝处的焊接，管体圆度得到轻微调整。扩径过程由扩径扇形块的径向位移来实现，扩径块与管坯内壁贴合后，带动管坯逐步向外扩展，其作用是通过施加一定扩径率以得到成品管尺寸和精度，减少焊接残余应力，提高管体的力学性能。根据设备和工艺特点，建立了UOE焊管成型全流程仿真模型，三维仿真模型如图7所示。模拟了各种钢级和规格UOE焊管在预弯边、U、O、预焊以及扩径工序中的连续变形过程，研究了成型工艺参数对成型质量（开口度、椭圆度、梨形凸度、平均外径等）的影响规律。模拟得到的管坯各工序变形状态和成型质量与现场实测结果较为一致，验证了模型的准确性。二维模型能够以很小的计算代价模拟输出大部分成型技术指标，可以快速确定合适的成型工艺参数和模具配置，进行成型工艺参数的优化设计；三维模型可以模拟输出管坯沿纵向的变形情况，仿真得到的设备力能参数可为评估设备加工能力提供依据。图7 UOE焊管成型三维仿真模型随着市场竞争的日益激烈，对直缝焊管产品品质的要求越来越高。因此，对直缝焊管成型过程有限元仿真分析的需求也日趋