工藝與設備

大直徑超薄壁螺旋焊管穩定成型技術研究*

王 軍

(華油鋼管有限公司揚州分公司,江蘇 揚州225000)

摘 要:為了提高大直徑超薄壁螺旋焊管管坯成型過程中的穩定性,提高鋼管幾何精度,降低管坯開縫、錯邊缺陷幾率,對大直徑超薄壁螺旋焊管成型難點進行了分析并提出了改進方法。通過設計安裝在線內撐輥裝置和錯邊壓平裝置來提升成型器對管坯管型的控制能力。方案實施后成功試制了Q345NS鋼級Φ3 020 mm×12 mm大直徑超薄壁螺旋埋弧焊管。應用結果表明,該優化改進方案可有效控制大直徑超薄壁螺旋焊管的直徑、橢圓度公差,降低管坯開縫引起的內焊燒穿缺陷和焊縫錯邊的幾率,實現了大直徑超薄壁螺旋焊管精確穩定成型的目的。

關鍵詞:焊管;大直徑螺旋埋弧焊管;超薄壁管;成型穩定性;在線內撐輥

螺旋埋弧焊管成型是鋼帶在空間范圍內的線性變形過程,影響管坯成型質量的因素眾多,例如成型器設備特性、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用于普通流體輸送管道領域,其超大的徑厚比和相對較薄的壁厚導致管坯在螺旋成型過程中直徑及橢圓度波動幅度増大,也容易產生錯邊、開縫缺陷,這對鋼管成型質量的影響很大,因此傳統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定連續成型的要求。筆者針對大直徑超薄壁焊管成型難度高的特點,結合生產實踐提出了成型器輔助工裝和大直徑超薄壁焊管穩定成型技術方案。

1 常用螺旋埋弧焊管成型器結構

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,通過三輥加載連續彎曲變形成螺旋管坯,待管坯自由邊扭轉一周后與鋼帶遞送邊嚙合,然后再進行內外焊接處理,最終得到焊管的過程。螺旋管坯成型的核心設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向布置的4#~8#輔助外控輥 (如圖1所示)。這種布局結構在生產高鋼級、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),鋼帶經過1#~3#彎板輥加載產生彈塑性和塑性變形,離開3#輥開始卸載過程,依次經過4#外控輥、5#外控輥、6#外控輥到7#外控輥時,管坯中殘余周向應力相對偏小甚至不足抵消自重對管型的影響,從而導致管坯直徑及橢圓度的波動,這種狀態下5#外控輥、6#外控輥和7#外控輥幾乎失去了對管型幾何質量的約束效果。為了適應大直徑超薄壁螺旋焊管的穩定成型,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構

2 在線內撐輥裝置

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,提出了新增在線內撐輥裝置的設想,為此設計了一種安裝于現有成型器2#輥機臂上的在線內撐輥裝置 (如圖2所示)。在線內撐輥裝置包含五個獨立伸縮調節的導向支撐輥,即4′內撐輥、 5′內撐輥、 6′內撐輥、 7′內撐輥和 8′內撐輥,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量和導向伸縮調節量實現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 在線內撐輥裝置結構示意圖

在線內撐輥裝置中,4′內撐輥、5′內撐輥、7′內撐輥和8′內撐輥的伸縮量ΔLi需要根據徑厚比大小和管坯輪廓實際倒心量適當調整,否則會引發內壁輥痕超標的風險。伸縮量ΔLi的調整趨勢為管徑越大、徑厚比越大、輪廓倒心量越大,其位置調整量也相應的越大;為了平衡管坯自重影響,6′內撐輥的伸縮量應當比理論值大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撐輥的實際位置,在實際應用中對各內撐輥的伸縮量ΔLi都應考慮適當補償。

依據批量生產的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焊管生產數據,4′內撐輥、5′內撐輥、 6′內撐輥、7′內撐輥及 8′內撐輥實際位置與理論位置差異見表1。

兩種規格焊管的5′內撐輥與7′內撐輥實際位置數據差異表明,管坯中心向7′內撐輥一側(即3點鐘方向)有不同程度的偏移。由于成型器的結構特點,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,這是管坯向3點方向“倒心”的根本原因。

表1 兩種規格焊管的在線內撐輥各輥位置分布

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3 大直徑超薄壁焊管連續穩定成型控制技術

螺旋焊管三輥彎板式成型器的核心參數主要包括螺旋成型角、1#輥和3#輥中心距和包角、內輥偏轉角、外輥偏轉角度等。成型理論參數中,1#輥和3#輥中心距與管徑相關,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型時,1#輥和3#輥中心距和包角若按理論參數設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力面產生的應變更小,塑性應變不充分,經過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穩定控制,實際成型參數中應考慮鋼管材質、徑厚比因素,應將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象。

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

表2 Φ3 020 mm×12 mm焊管1#輥和3#輥理論成型參數與實際參數對比

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

4 應用效果

通過使用在線內撐輥裝置,并按表2中的實際參數設置成型工藝,批量生產了Q345NS鋼級Φ2 620 mm×12 mm 和 Φ3 020 mm×12 mm 兩種規格焊管,其中Φ3 020 mm×12 mm焊管成品照片如圖4所示,焊管幾何參數見表3。相比未使用成型工裝的試制初期,批量生產過程中管坯成型狀態穩定,直徑波動幅度大、管坯出現錯邊和開縫缺陷頻率高的問題得到了明顯改善,管型質量良好。本次試生產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撐輥裝置的可行性,掌握了大直徑超薄螺旋焊管穩定成型的制造技術。

圖4 Φ3 020 mm×12 mm焊管成品

表3 批量生產的焊管幾何參數

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5 結 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應考慮鋼管材質、徑厚比因素,應將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”現象。

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Study on the Stable Forming Technology of Ultrathin-walled Spiral Pipe with Large Pipe Diameter

WANG Jun
North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Yangzhou Subsidiary,Yangzhou 225000,Jiangsu,China

Abstract:In order to improve the stability of the forming process of the large-diameter and ultrathin-walled spiral welded pipe blank,improve the geometric accuracy of the steel pipe,and reduce the probability of the defects such as the opening and staggering of the pipe blank,the forming difficulties of the large-diameter and ultrathin-walled spiral welded pipe are analyzed and the improvement methods are put forward.Through the design and installation of the on-line inner supporting roller device and the stagger flattening device,the control ability of the shaper to the tube blank and tube shape is improved.After the implementation of the scheme,Q345NS steel grade Φ3 020 mm×12 mm large diameter ultrathin-walled spiral submerged arc welded pipe was successfully trial manufactured.The application results show that the optimized scheme can effectively control the diameter and ovality tolerance of the large-diameter and ultrathin-walled spiral welded pipe,reduce the internal welding burn through defects and the possibility of weld misalignment caused by the opening of the tube blank,and achieve the purpose of the accurate and stable forming of the large-diameter and ultrathin-walled spiral welded pipe.

Key words:welded pipe;large diameter spiral submerged arc welded pipe;ultrathin-walled pipe;stable forming process;on-line internal roller

中圖分類號:TG333.93

文獻標識碼:B

DOI:10.19291/j.cnki.1001-3938.2020.01.009

*基金項目:渤海石油裝備科研項目 “耐硫酸露點腐蝕用超大徑厚比螺旋埋弧焊鋼管的研制與開發” (項目編號 F-M01118K6)。

作者簡介:王 軍 (1987—),男,工程師,主要從事螺旋焊管的工藝研究和成型設備技術相關工作。

收稿日期:2019-07-25

編輯:羅 剛

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