范利鋒，高 穎，，李 強(qiáng)，，宋聰惠，楊文濤

(1．燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2．河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050054)

FAN Li-feng1，GAO Ying1，2，LI Qiang1，2，SONG Cong-hui1，YANG Wen-tao2

(1．College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China;2．College of Material Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050054，China)

1 前言

管道輸送作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、不間斷的長距離輸送方法已經(jīng)得到了廣泛采用，特別是隨著西部油田和海洋油氣田的開發(fā)，以及石油、天然氣跨國經(jīng)營模式的運行，我國進(jìn)入了油氣管道建設(shè)的高峰期［1］。這對大口徑直縫焊管制造技術(shù)提出了更高的要求，最后一道成型工序——擴(kuò)徑技術(shù)是保證焊管質(zhì)量的重要手段，在淘汰古老的水壓擴(kuò)徑同時，應(yīng)用機(jī)械擴(kuò)徑技術(shù)是制管技術(shù)的一大創(chuàng)新。

相對于傳統(tǒng)的水壓擴(kuò)徑而言機(jī)械擴(kuò)徑有著以下優(yōu)點［2-7］:

(1)機(jī)械擴(kuò)徑以內(nèi)徑定尺寸，產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸準(zhǔn)確，不受管坯壁厚和材料性能影響;

(2)因分瓣凸模徑向位移和錐體軸向位移比值較小，可通過控制軸向行程準(zhǔn)確補(bǔ)償回彈量和模具磨損量;

(3)通過調(diào)整擴(kuò)徑行程、重疊率和擴(kuò)徑步長可以方便的利用同一組模具生產(chǎn)一定范圍內(nèi)不同規(guī)格的鋼管。

機(jī)械擴(kuò)徑技術(shù)是大口徑直縫焊管制造核心技術(shù)，其發(fā)展直接決定我國的制管技術(shù)水平。

2 機(jī)械擴(kuò)徑工藝過程

機(jī)械擴(kuò)徑是一段一段地進(jìn)行的。機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)主要由送管小車和擴(kuò)徑頭組成。擴(kuò)徑頭由若干個扇形塊(擴(kuò)脹塊)組成，套在錐形芯軸上，而芯軸通過拉桿固定在液壓缸的活塞桿上。當(dāng)液壓缸活塞和拉桿、芯軸向右移或向左移時，在錐形芯軸表面的扇形塊向外擴(kuò)展或縮小。擴(kuò)徑頭伸入管坯內(nèi)，使管坯向外擴(kuò)張，從而使與扇形塊接觸的一段焊管得到擴(kuò)徑，達(dá)到擴(kuò)徑的目的［3，4］，機(jī)械擴(kuò)徑原理如圖1所示。

圖1 機(jī)械擴(kuò)徑原理Fig.1 Principle of mechanical expanding

擴(kuò)徑作為大口徑直縫焊管最后一道成形工序，其主要目的有以下四點［6］:

(1)對鋼管進(jìn)行整型。直縫埋弧焊管的成型方式主要有UOE成型法、CFE排輥成型法、RBE輥彎成型法、CE折彎成型法和JCOE成型等，而采用這幾種成型方法所生產(chǎn)的鋼管，都不同程度地存在著幾何尺寸精度不高的問題，尤其是CE成型和JCOE成型。由于采用步進(jìn)式?jīng)_壓成型，因而在鋼管的圓周方向有許多折彎痕跡，這直接影響到鋼管的橢圓度;另外，由于直縫埋弧焊管是在管體的一面進(jìn)行焊接，因而鋼管在熱應(yīng)力的作用下要發(fā)生彎曲變形，使鋼管的直度受到影響。通過機(jī)械擴(kuò)徑，可以使鋼管的橢圓度＜0.8%D，直線度在鋼管全長范圍內(nèi)最大為0.1%，鋼管內(nèi)徑在內(nèi)圓周測量時的最大偏差為士3 mm，從而達(dá)到管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(2)消除由于成型而造成的鮑辛格效應(yīng)，避免為達(dá)到鋼管強(qiáng)度要求而提高管材等級所造成的浪費。

(3)消除焊接時造成的焊縫熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力，避免因所輸送介質(zhì)——石油或天然氣中的H2S在鋼管應(yīng)力集中的區(qū)域產(chǎn)生氫脆甚至裂紋的情況，提高鋼管的韌性指標(biāo)。

(4)擴(kuò)徑是對焊接質(zhì)量及焊接性能的一種很好的檢驗。

機(jī)械擴(kuò)徑成形過程根據(jù)管坯在擴(kuò)徑過程中形狀變化，可以分為整圓、擴(kuò)脹成形和卸載回彈三個主要階段［7-9］。

(1)整圓階段。管坯在擴(kuò)徑之前其截面形狀大多為橢圓，在這一階段擴(kuò)徑就是將管坯由近似橢圓變成圓。管壁在擴(kuò)徑頭作用下發(fā)生彎曲變形，長軸縮短，短軸伸長，隨著擴(kuò)徑頭的不斷徑向擴(kuò)脹，長軸不斷縮短，短軸不斷伸長，最終擴(kuò)徑頭與管坯內(nèi)壁完全貼合。這個階段焊管的變形主要為彈性變形，只有形狀變化。

(2)擴(kuò)脹成形階段。管坯在擴(kuò)徑頭作用下，直徑不斷擴(kuò)大，壁厚不斷減薄。開始時，管坯處于彈性變形階段，當(dāng)管體的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時，管坯便進(jìn)入塑性變形階段。

(3)卸載回彈階段。擴(kuò)徑頭回撤，管坯變形有一定彈性回復(fù)［10］。同時，由于機(jī)械擴(kuò)徑是利用多個扇形塊組成的凸模徑向擴(kuò)張使管坯擴(kuò)脹成形，管坯與扇形塊接觸部分存在較大的摩擦力使管坯變形受阻，而在扇形塊之間的間隙部分變形大，所以管坯的切向應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻，當(dāng)擴(kuò)徑量較大時，與扇形塊邊緣接觸部分易形成棱角。

機(jī)械擴(kuò)徑成形過程是一個與管坯規(guī)格、管坯形狀、材料性能、摩擦條件、變形程度、模具直徑及其邊緣圓角半徑等諸多因素相關(guān)的塑性變形過程，其最終制品的尺寸和形狀精度取決于這些參數(shù)的綜合影響［11］。

3 機(jī)械擴(kuò)徑工藝研究現(xiàn)狀

早期，國內(nèi)學(xué)者多用物理試驗方法對冷擴(kuò)徑技術(shù)進(jìn)行研究。采用扇形塊數(shù)量很少的擴(kuò)徑頭(只有4塊)，針對小直徑無縫鋼管進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)徑工藝過程的物理試驗［12］，給出了擴(kuò)徑力與擴(kuò)徑率、管壁厚的定性關(guān)系。在未考慮模具形狀影響的情況下，基于殼體彎曲和彈塑性理論將擴(kuò)徑過程簡化為承受內(nèi)壓的圓環(huán)彈塑性過程，采用C語言編寫有限元程序，使用三角形三節(jié)點單元對變形體進(jìn)行離散化，給出了擴(kuò)徑過程中鋼管的變形和應(yīng)力分析。計算結(jié)果與物理實驗吻合程度較好，誤差在11%以內(nèi)。

付正榮［13］通過使用扇形塊為12塊，錐角為10°的擴(kuò)徑頭對高頻埋弧焊螺旋焊管進(jìn)行冷擴(kuò)徑的原理及工藝試驗研究，首次提出了擴(kuò)徑工藝能夠改善管坯殘余應(yīng)力分布和提高屈服強(qiáng)度這一結(jié)論;給出了殘余應(yīng)力和擴(kuò)徑率、屈服極限和擴(kuò)徑率的試驗曲線;并對擴(kuò)徑過程中扇形塊、錐體和管坯的受力分析，得出了擴(kuò)徑力的計算公式，與實驗值相比誤差為2%。

式中，H為擴(kuò)徑長度;μ1為相對于錐體滑動的摩擦系數(shù);μ2為相對于端部導(dǎo)向體滑動的摩擦系數(shù);α為擴(kuò)徑頭錐體半角;p為圓筒內(nèi)外表面完全進(jìn)入塑性狀態(tài)的徑向內(nèi)壓力。

式中，σT=1.1σS;R為鋼管外徑;r為鋼管內(nèi)徑。

雖然上述公式已經(jīng)滿足工程應(yīng)用需求［14-16］，但管坯分段擴(kuò)徑必然存在剛端作用。與無剛端環(huán)形件機(jī)械擴(kuò)徑工藝比較，擴(kuò)徑時剛端作用使剛端附近區(qū)域的管坯發(fā)生彎曲，從而在擴(kuò)徑長度方向出現(xiàn)管坯和模具的非均勻接觸，并且使剛端附近的接觸應(yīng)力急劇增加，表現(xiàn)出擴(kuò)徑力在不同程度上的增加。剛端系數(shù)就是反映擴(kuò)徑力因剛端作用而增加的一個參數(shù)，是管坯相對壁厚的函數(shù)。由于該計算公式?jīng)]有考慮材料硬化和剛端的影響，對于高屈強(qiáng)比的管線鋼計算誤差將會增大，嚴(yán)重影響大直徑、厚壁鋼管擴(kuò)徑力計算的準(zhǔn)確性。對此，燕山大學(xué)的郭寶鋒教授［7］修正了擴(kuò)徑力的計算公式。

式中，u為模具與錐體間的摩擦系數(shù);ra為管坯內(nèi)半徑;rb為管坯外半徑;為等效應(yīng)力;n為模具瓣數(shù);k為剛端系數(shù)，k=1+0.6·為管坯平均直徑;t為管坯壁厚。0

同時，燕山大學(xué)郭寶鋒教授基于彈塑性理論系統(tǒng)地分析了機(jī)械擴(kuò)徑技術(shù)的變形特征，給出了機(jī)械擴(kuò)徑的成形條件:推導(dǎo)了近似計算擴(kuò)徑行程的理論公式。使用非線性有限元軟件Marc得出機(jī)械擴(kuò)徑模具參數(shù)和工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系［17、18］，采用機(jī)械擴(kuò)徑工藝對大口徑直縫焊管分段擴(kuò)徑、螺旋焊管管端擴(kuò)徑結(jié)果對其理論公式和有限元分析結(jié)果進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明理論公式和有限元分析結(jié)果基本滿足工程要求。

針對擴(kuò)徑技術(shù)對消除焊管成型的殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力的作用和效果。天津大學(xué)分別用切塊法［19］和環(huán)劈法［20］測試了 JCOE 成形的 X70 直縫埋弧焊管擴(kuò)徑前后的殘余應(yīng)力值［21-22］。研究結(jié)果表明，擴(kuò)徑對直縫埋弧焊管成型殘余應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力均有明顯的松弛消峰作用，擴(kuò)徑率是決定直縫焊管成品殘余應(yīng)力水平的重要工藝參數(shù)。

前期的擴(kuò)徑變形過程的理論分析都沒有考慮到摩擦的影響，直到2008年，文獻(xiàn)［23］采用圓柱坐標(biāo)系得出了與摩擦系數(shù)有關(guān)的應(yīng)力數(shù)學(xué)表達(dá)式和相對半徑與摩擦系數(shù)的關(guān)系式。同時，分析了摩擦對彎曲中性層、產(chǎn)品壁厚均勻程度和端部拉裂的影響。最后得出最佳摩擦范圍為0.15～0.3。

本世紀(jì)初，機(jī)械擴(kuò)徑工藝參數(shù)對制品質(zhì)量影響的研究已逐步成熟，但擴(kuò)徑過程與工藝參數(shù)相互影響，耦合作用制品質(zhì)量，很難獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的廣泛應(yīng)用，以提高制品質(zhì)量為目標(biāo)，采用先進(jìn)的計算方法和物理實驗相結(jié)合，優(yōu)化擴(kuò)徑工藝參數(shù)成為一個發(fā)展潮流。

文獻(xiàn)［24］以有限元方法為基礎(chǔ)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法，僅以制品圓度誤差最小為目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量為模具半徑、模具邊緣圓角半徑和擴(kuò)徑率條件下，通過對圓度誤差為2%的三種管線鋼管坯φ801 mm×14 mm、φ1001 mm×16 mm和φ1401.5 mm×25.4 mm機(jī)械擴(kuò)徑過程的工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了相對凸模半徑、模具邊緣圓角半徑和擴(kuò)徑率分別為 1.09、8 mm、1.44%;1.08、8 mm、1.33%和1.06、14.77 mm、1.0%的最優(yōu)解。該工藝參數(shù)優(yōu)化方法為合理制定機(jī)械擴(kuò)徑工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)，具有重要的實用價值。文獻(xiàn)［25］全面考慮管坯成型質(zhì)量，采用Python語言改進(jìn)了遺傳算法程序，對φ1401.5 mm×22 mm，φ1207.8 mm×19 mm，φ630 mm×9 mm等規(guī)格鋼管，實現(xiàn)了在多目標(biāo)條件下對機(jī)械擴(kuò)徑成形工藝參數(shù)的優(yōu)化。從研究結(jié)果來看，尋求機(jī)械擴(kuò)徑成形參數(shù)最優(yōu)組合問題作為多目標(biāo)優(yōu)化問題來處理，更加符合生產(chǎn)實際。這就可以在同時滿足制品橫斷面尺寸和形狀精度的條件下，從理論上給出管坯的尺寸規(guī)格和形狀誤差，得到與之對應(yīng)的模具尺寸和變形程度，從而改變了機(jī)械擴(kuò)徑工藝設(shè)計依賴于經(jīng)驗的局面。為了獲得更為普遍規(guī)格管坯優(yōu)化工藝，文獻(xiàn)［26］采用正交表優(yōu)化方法，以產(chǎn)品的尺寸精度和形狀精度為指標(biāo)，對多種規(guī)格機(jī)械擴(kuò)徑制品的主要工藝參數(shù)的組合進(jìn)行優(yōu)化［27-28］。通過比較分析各組實驗中工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，給出了適用于所有規(guī)格管坯的擴(kuò)徑工藝參數(shù)的推薦取值范圍。擴(kuò)徑率取0.75%～1.25%對于制品質(zhì)量較為有益;模具相對凸模半徑以1.05～1.1為好;邊緣圓角半徑推薦取0.5～0.75t0。通過對結(jié)果的分析討論，揭示了各個因素對最終制品品質(zhì)的影響程度，并給出了最優(yōu)組合結(jié)果。采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合，更有利于提高制品的尺寸和形狀精度。

在大直徑直縫埋弧焊管的機(jī)械擴(kuò)徑工藝技術(shù)取得巨大進(jìn)步的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者著手開發(fā)機(jī)械擴(kuò)徑裝備技術(shù)。2007年，我國自主研發(fā)的首臺機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)開車成功，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。文獻(xiàn)［29］針對大口徑直縫埋弧焊管立式管端機(jī)械擴(kuò)徑機(jī)采用數(shù)學(xué)解析和數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)的研究了擴(kuò)徑的力學(xué)過程，并對擴(kuò)徑機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

4 機(jī)械擴(kuò)徑工藝發(fā)展前景

多年來我國對大口徑直縫焊管機(jī)械擴(kuò)徑工藝的研究有很大提高，取得了顯著的成就。但由于不同鋼級、不同板厚管線鋼材料性能不穩(wěn)定，管坯規(guī)格多樣和截面形狀復(fù)雜，每次擴(kuò)徑的工藝參數(shù)都需要重新調(diào)整，這主要依賴于操作者的經(jīng)驗，不僅耗時、費力、而且不能保證所選用的擴(kuò)徑工藝參數(shù)是最優(yōu)的。易出現(xiàn)擴(kuò)徑裂紋，擴(kuò)后形狀不達(dá)標(biāo)等缺陷。隨著管道建設(shè)以及高鋼級管線鋼的開發(fā)應(yīng)用，對擴(kuò)徑生產(chǎn)過程中復(fù)雜變形的深入認(rèn)識，無論對影響管坯形狀的內(nèi)因(材料性能的穩(wěn)定性)，還是外因(擴(kuò)徑工藝條件)，均無法建立其與管坯之間精確的數(shù)學(xué)模型，可見依靠數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法不斷向廣度和深度發(fā)展，有必要在以下幾方面加強(qiáng)擴(kuò)徑工藝的研究工作［30-36］。

(1)建立擴(kuò)徑工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。收集管線鋼材料性能數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計學(xué)的方法分析其波動性及對管坯形狀和工藝參數(shù)的影響。建立對應(yīng)不同規(guī)格管坯擴(kuò)徑工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

(2)建立管坯質(zhì)量控制系統(tǒng)。根據(jù)擴(kuò)徑之前的成型的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測系統(tǒng)，能夠獲得管坯材料性能，給出不同材料性能的擴(kuò)徑前管坯質(zhì)量指標(biāo)的閾值。

(3)建立在線工藝優(yōu)化系統(tǒng)。在線測量擴(kuò)徑前后管坯形狀，并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化工具和現(xiàn)代控制理論針對不同擴(kuò)徑前管坯形狀，動態(tài)優(yōu)化擴(kuò)徑工藝參數(shù)和分析機(jī)械擴(kuò)徑力學(xué)過程，實現(xiàn)智能控制工藝參數(shù)。

隨著機(jī)械擴(kuò)徑工藝的迅速發(fā)展和越來越高級別的管線鋼的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)有的研究成果已不能滿足生產(chǎn)的需要。開發(fā)包含在線測量，動態(tài)優(yōu)化和智能控制等功能的擴(kuò)徑工藝優(yōu)化系統(tǒng)已迫在眉睫?？梢姴捎孟冗M(jìn)的測量工具、有效的數(shù)值方法和智能控制方法相結(jié)合的手段，將成為改善大口徑直縫焊管擴(kuò)徑質(zhì)量的發(fā)展趨勢。

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