王 軍

（華油鋼管有限公司揚州分公司，江蘇 揚州225000）

螺旋埋弧焊管成型是鋼帶在空間范圍內(nèi)的線性變形過程，影響管坯成型質(zhì)量的因素眾多，例如成型器設(shè)備特性、鋼帶遞送線位置偏差、鋼帶寬度誤差、成型角度誤差、鋼帶月牙彎大小、成型過程加載段曲率差異等。隨著低鋼級、大直徑超薄壁螺旋焊管開始嘗試應(yīng)用于普通流體輸送管道領(lǐng)域，其超大的徑厚比和相對較薄的壁厚導(dǎo)致管坯在螺旋成型過程中直徑及橢圓度波動幅度増大，也容易產(chǎn)生錯邊、開縫缺陷，這對鋼管成型質(zhì)量的影響很大，因此傳統(tǒng)的三輥彎板外包式成型方式已不能滿足大直徑超薄壁螺旋焊管穩(wěn)定連續(xù)成型的要求。筆者針對大直徑超薄壁焊管成型難度高的特點，結(jié)合生產(chǎn)實踐提出了成型器輔助工裝和大直徑超薄壁焊管穩(wěn)定成型技術(shù)方案。

1 常用螺旋埋弧焊管成型器結(jié)構(gòu)

螺旋焊管制管原理可簡述為對熱軋鋼帶進行拆卷、矯平、剪銑邊等工藝處理后，采用一定成型角度進入成型器，通過三輥加載連續(xù)彎曲變形成螺旋管坯，待管坯自由邊扭轉(zhuǎn)一周后與鋼帶遞送邊嚙合，然后再進行內(nèi)外焊接處理，最終得到焊管的過程。螺旋管坯成型的核心設(shè)備為三輥彎板外抱式成型器，常見的此類成型器包含0#引料輥、焊墊輥、1#～3#彎板輥以及沿鋼帶前進方向環(huán)向布置的4#～8#輔助外控輥 （如圖1所示）。這種布局結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)高鋼級、小徑厚比鋼管時，管坯可借助其自身的周向殘余張力保持管型輪廓的精度；然而超大直徑、超薄壁焊管鋼級多為普通板材或較低鋼級 （如Q345NS），鋼帶經(jīng)過1#～3#彎板輥加載產(chǎn)生彈塑性和塑性變形，離開3#輥開始卸載過程，依次經(jīng)過4#外控輥、5#外控輥、6#外控輥到7#外控輥時，管坯中殘余周向應(yīng)力相對偏小甚至不足抵消自重對管型的影響，從而導(dǎo)致管坯直徑及橢圓度的波動，這種狀態(tài)下5#外控輥、6#外控輥和7#外控輥幾乎失去了對管型幾何質(zhì)量的約束效果。為了適應(yīng)大直徑超薄壁螺旋焊管的穩(wěn)定成型，需要強化成型器對管型的控制能力。

圖1 常見的螺旋焊管成型器結(jié)構(gòu)

2 在線內(nèi)撐輥裝置

針對大直徑超薄壁焊管成型過程中管坯直徑及橢圓度波動幅度大、錯邊和開縫缺陷頻率高的問題，提出了新增在線內(nèi)撐輥裝置的設(shè)想，為此設(shè)計了一種安裝于現(xiàn)有成型器2#輥機臂上的在線內(nèi)撐輥裝置 （如圖2所示）。在線內(nèi)撐輥裝置包含五個獨立伸縮調(diào)節(jié)的導(dǎo)向支撐輥，即4′內(nèi)撐輥、 5′內(nèi)撐輥、 6′內(nèi)撐輥、 7′內(nèi)撐輥和 8′內(nèi)撐輥，管坯軸向依次分布于7點、10點、12點、2點和5點方向的位置。需要指出，該裝置內(nèi)撐輥與管坯的接觸位置隨著焊管直徑大小的變化而改變，這些支撐輥可通過改變連接座數(shù)量和導(dǎo)向伸縮調(diào)節(jié)量實現(xiàn)對不同直徑管坯的遞送邊和自由邊的支撐，以降低自重對管坯成型嚙合前的管型輪廓的影響，提升管坯的直徑精度。

圖2 在線內(nèi)撐輥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在線內(nèi)撐輥裝置中，4′內(nèi)撐輥、5′內(nèi)撐輥、7′內(nèi)撐輥和8′內(nèi)撐輥的伸縮量ΔLi需要根據(jù)徑厚比大小和管坯輪廓實際倒心量適當調(diào)整，否則會引發(fā)內(nèi)壁輥痕超標的風險。伸縮量ΔLi的調(diào)整趨勢為管徑越大、徑厚比越大、輪廓倒心量越大，其位置調(diào)整量也相應(yīng)的越大；為了平衡管坯自重影響，6′內(nèi)撐輥的伸縮量應(yīng)當比理論值大3～5 mm。此外，鑒于該裝置整體固定于2#輥機臂端部，2#輥超壓量和機臂點頭量都會影響各內(nèi)撐輥的實際位置，在實際應(yīng)用中對各內(nèi)撐輥的伸縮量ΔLi都應(yīng)考慮適當補償。

依據(jù)批量生產(chǎn)的Q345NS鋼級、徑厚比為218.3的Φ2 620 mm×12 mm焊管和徑厚比為251.7的Φ3 020 mm×12 mm焊管生產(chǎn)數(shù)據(jù)，4′內(nèi)撐輥、5′內(nèi)撐輥、 6′內(nèi)撐輥、7′內(nèi)撐輥及 8′內(nèi)撐輥實際位置與理論位置差異見表1。

兩種規(guī)格焊管的5′內(nèi)撐輥與7′內(nèi)撐輥實際位置數(shù)據(jù)差異表明，管坯中心向7′內(nèi)撐輥一側(cè)（即3點鐘方向）有不同程度的偏移。由于成型器的結(jié)構(gòu)特點，3#輥組標高始終高于1#輥組標高22 mm，成型工藝制定時3#輥組中心距L3總是大于1#輥組中心距L1；鋼帶經(jīng)過1#輥、2#輥和3#輥時，3#輥組對鋼帶的彎曲力矩大于1#輥的彎曲力矩，況且7#輥與8#輥之間大弧度的管坯處于自由變形狀態(tài)，這是管坯向3點方向“倒心”的根本原因。

表1 兩種規(guī)格焊管的在線內(nèi)撐輥各輥位置分布

3 大直徑超薄壁焊管連續(xù)穩(wěn)定成型控制技術(shù)

螺旋焊管三輥彎板式成型器的核心參數(shù)主要包括螺旋成型角、1#輥和3#輥中心距和包角、內(nèi)輥偏轉(zhuǎn)角、外輥偏轉(zhuǎn)角度等。成型理論參數(shù)中，1#輥和3#輥中心距與管徑相關(guān)，管徑越大中心距越大、包角角度越小。

大直徑超薄壁焊管在調(diào)型時，1#輥和3#輥中心距和包角若按理論參數(shù)設(shè)置會造成三輥彎板過程中1#輥和3#輥對鋼帶的彎曲力臂相對偏大，這增加了鋼帶變形不勻稱的風險，并降低鋼帶變形效率。此外，超薄壁鋼帶在彎曲變形過程中，2#輥對鋼帶的超壓量比相同管徑的厚壁鋼帶要大，是因為超薄壁鋼帶在相同的曲率下正應(yīng)力面產(chǎn)生的應(yīng)變更小，塑性應(yīng)變不充分，經(jīng)過3#輥彈性變形釋放后管坯曲率不足。為使鋼帶獲得理想的管坯輪廓，2#輥需要對鋼帶的超壓量增大。為了大直徑超薄壁焊管的成型連續(xù)穩(wěn)定控制，實際成型參數(shù)中應(yīng)考慮鋼管材質(zhì)、徑厚比因素，應(yīng)將1#輥和3#輥中心距比理論值減小15%～20%，這樣可提升鋼帶的變形效率和管坯曲率的一致性；同時調(diào)整1#輥和3#輥包角和管坯標高，使得1#輥、3#輥組包角中線交點位于鋼管理論中心垂面上，實現(xiàn)1#輥和3#輥對以2#輥為變形中心的鋼帶的彎矩相當，最大程度降低彎矩差異引起的管坯輪廓倒心現(xiàn)象。

以Φ3 020 mm×12 mm焊管成型參數(shù)為例，經(jīng)多次試驗得出管坯輪廓最佳的1#輥及3#輥實際成型參數(shù)，與理論參數(shù)對比結(jié)果如表2和圖3所示。

圖3 Φ3 020 mm×12 mm焊管成型器1#輥和3#輥成型參數(shù)對比示意圖 （圖中未標注單位為mm）

4 應(yīng)用效果

通過使用在線內(nèi)撐輥裝置，并按表2中的實際參數(shù)設(shè)置成型工藝，批量生產(chǎn)了Q345NS鋼級Φ2 620 mm×12 mm 和 Φ3 020 mm×12 mm 兩種規(guī)格焊管，其中Φ3 020 mm×12 mm焊管成品照片如圖4所示，焊管幾何參數(shù)見表3。相比未使用成型工裝的試制初期，批量生產(chǎn)過程中管坯成型狀態(tài)穩(wěn)定，直徑波動幅度大、管坯出現(xiàn)錯邊和開縫缺陷頻率高的問題得到了明顯改善，管型質(zhì)量良好。本次試生產(chǎn)較好地驗證了在大直徑超薄螺旋焊管成型過程中使用在線內(nèi)撐輥裝置的可行性，掌握了大直徑超薄螺旋焊管穩(wěn)定成型的制造技術(shù)。

圖4 Φ3 020 mm×12 mm焊管成品

表3 批量生產(chǎn)的焊管幾何參數(shù)

5 結(jié) 論

（1）提出了適合大直徑超薄壁螺旋焊管成型過程中在線內(nèi)撐輥裝置和錯邊壓平裝置的使用方法，較好地解決了大直徑超薄壁焊管生產(chǎn)過程中直徑波動大、錯邊和開縫缺陷頻次高的問題。

（2）大直徑超薄壁焊管的成型參數(shù)應(yīng)考慮鋼管材質(zhì)、徑厚比因素，應(yīng)將1#輥和3#輥中心距比理論值減小15%～20%，以提升鋼帶的變形效率和管坯曲率的一致性；同時調(diào)整1#輥和3#輥包角和管坯標高，使得1#輥和3#輥組包角中線交點位于鋼管理論中心垂面上，降低1#輥和3#輥對鋼帶彎矩差異引起的管坯輪廓 “倒心”現(xiàn)象。