高頻鋼管成型技術(shù)在國(guó)際鋼管行業(yè)的地位
高頻鋼管成型技術(shù)按時(shí)間段和成型方式發(fā)展的三個(gè)階段 , 即早期的輥式成型技術(shù)( roll forming )、排輥成型技術(shù)( cage forming )和 FFX成型技術(shù)( flexible forming excellent)。本文詳細(xì)論述了各成型技術(shù)的發(fā)展過(guò)程以及優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比分析指出，隨著各行業(yè)對(duì)焊管品種、質(zhì)量、成本的要求越來(lái)越高，在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)新建和改造焊管機(jī)組時(shí)，應(yīng) 選 FFX成型技術(shù)。
高頻鋼管成型技術(shù)包括粗成型和精成型兩部分 , 它是高頻鋼管生產(chǎn)技術(shù)的核心 , 如果鋼帶在粗成型和精成型階段成型質(zhì)量不好或成型不到位 , 是很難生產(chǎn)出高質(zhì)量焊管的。因此成型技術(shù)決定了高頻鋼管的產(chǎn)量、品種、質(zhì)量、原料和軋輥消耗,是焊管設(shè)備設(shè)計(jì)制造部門(mén)和使用部門(mén)十分關(guān)心的問(wèn)題。
1 輥式成型技術(shù)
輥式成型技術(shù)其粗成型和精成型采用二輥式水平機(jī)架 ,在水平機(jī)架之間設(shè)置一些立輥機(jī)架。對(duì)尺寸較大的焊管,為了提高變形質(zhì)量 , 減少速度差 ,軋輥采用組合輥。由于設(shè)備空間受限因素少 , 適應(yīng)性較大 , 既可生產(chǎn)薄壁焊管 , 也適合生產(chǎn)厚壁鋼管 , 這種輥式成型技術(shù)使用了很長(zhǎng)時(shí)間 。 但每生產(chǎn)一種尺寸焊管要求一套軋輥 , 因此焊管品種規(guī)格越多 , 軋輥數(shù)量越多 , 費(fèi)用也越大。在沒(méi)有快速換輥裝置的條件下 , 換輥時(shí)間很長(zhǎng) , 一般需要 1～2 個(gè)班工作時(shí)間 , 使生產(chǎn)效率降低 , 產(chǎn)品成本提高 。因此不適應(yīng)小批量、多品種焊管生產(chǎn)。
2.排輥成型技術(shù)
2.1技術(shù)概述
針對(duì)輥式成型技術(shù)存在的問(wèn)題 , 為了減少輥式成型機(jī)軋輥數(shù)量 , 降低費(fèi)用 , 縮短換輥時(shí)間 ,美國(guó) Torrance 公司 先推出了在輥式成型機(jī)的粗成型段中采用可以部分通用軋輥的排輥成型( cage? forming ) 原始技術(shù) 。到了 60年代末期 , 美國(guó) Yoder 公司對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn) , 由于當(dāng)時(shí)設(shè)備不很完善 , 軋輥調(diào)整比較困難 ,? 排輥成型技術(shù)只用于生產(chǎn)中直徑焊管 。隨著時(shí)間的推移 , 經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展 , 設(shè)備結(jié)構(gòu)更加完善 ,到 70 年代后期 ,排輥成型技術(shù)的使用范圍也逐步擴(kuò)大到小直徑焊管。
2. 2 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
( 1) 粗成型軋輥數(shù)量減少 , 降低了軋輥費(fèi)用和換輥時(shí)間 。排輥成型技術(shù)的粗成型機(jī)一般由 2架水平輥式機(jī)架與許多外排輥和內(nèi)輥組成 , 對(duì)于產(chǎn)品范圍內(nèi)的所有焊管尺寸 , 1機(jī)架的軋輥通常情況只需要一套 , 但 2 機(jī)架的軋輥和內(nèi)輥就需要有幾套。這和輥式成型機(jī)相比 , 軋輥數(shù)量減少了 , 投資也相應(yīng)減少了。
(2) 提高了焊管質(zhì)量 。由許多小直徑排輥代替了輥式成型機(jī)的大直徑水平輥 , 軋輥表面線速度差減少了 , 改善了鋼帶邊部拉伸作用 , 提高了焊管邊部的質(zhì)量。
(3)縮短了換輥時(shí)間 , 提高了產(chǎn)量 。粗成型軋輥和內(nèi)排輥盡管有幾套 , 但不是每更換一種直徑的焊管就要換輥 。精成型機(jī)和定徑機(jī)廣泛采用等剛性機(jī)架和快速換輥裝置 , 換輥時(shí)間由過(guò)去的1～2個(gè)班大大地縮短為幾十分鐘 。換輥時(shí)間縮短 , 提高了產(chǎn)量 , 因此排輥成型技術(shù)不僅在中直徑焊管生產(chǎn)中得到普及 , 而且在小直徑焊管生產(chǎn)中也得到推廣?？梢哉f(shuō) 20世紀(jì) 80 年代中期以后 , 是排輥成型技術(shù)大發(fā)展時(shí)期。
2.3 存在的問(wèn)題
1.粗成型變形減弱是焊管產(chǎn)生缺陷的根源 。由于片面追求軋輥共用性以減少軋輥數(shù)量和換輥次數(shù) , 因此減少了排輥成型的水平輥機(jī)架(breakdown stand), 使原本由水平輥機(jī)架變形的變形量 , 較多地轉(zhuǎn)移到排輥段和精成型機(jī)上 。 排輥段由許多外排輥和一些內(nèi)輥組成 , 外排輥主要是通過(guò)對(duì)鋼帶外表面施加壓力使其變形 , 內(nèi)輥使鋼帶內(nèi)表面變形 。由于共用性的要求 ,外排輥和內(nèi)輥沒(méi)有孔型,加上空間上的限制 , 軋輥尺寸小 , 內(nèi)輥調(diào)整困難 ; 外排輥和內(nèi)輥對(duì)鋼帶局部施壓 , 使鋼帶變形不均勻 , 邊部很大區(qū)域成為變形死區(qū);外排輥和內(nèi)輥尺寸小,剛性差 , 對(duì)于厚度大和材質(zhì)強(qiáng)度高的鋼帶 , 變形程度受到了限制 , 難以達(dá)到充分塑性變形的目的 , 變形死區(qū)更嚴(yán)重 , 鋼帶容易反彈 。這些是排輥成型技術(shù)造成焊管很多缺陷和隱患的根源。
2.粗成型變形不充分 , 增加了精成型機(jī)、定徑機(jī)的數(shù)量 。在高頻鋼管生產(chǎn)中 , 鋼帶邊部的變形狀態(tài)對(duì)焊接質(zhì)量的影響極大 。 好的鋼帶開(kāi)口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 , 而且這個(gè)變形要求在粗成型階段完成 。 而排輥成型技術(shù)由于水平輥機(jī)架減少 , 在粗成型階段是很難做到的 , 只好將變形放到排輥段和精成型機(jī)上 , 但在排輥段 , 由于設(shè)備結(jié)構(gòu)上的原因也很難保證 , 結(jié)果是焊接后的焊管圓度差 。為了改善焊管圓度 , 要求增加精成型機(jī)和定徑機(jī)數(shù)量 , 所以目前世界上主要三家公司生產(chǎn)的排輥成型機(jī) , 其精成型機(jī)和生產(chǎn)圓管時(shí)的定徑機(jī)數(shù)量都是 3架和 4架。盡管精成型機(jī)架數(shù)量增加了 , 但是粗成型后由于鋼帶開(kāi)口管筒邊部的 V 形角度得不到有效的變形控制 。厚度較大的焊管進(jìn)入精成型機(jī)孔型中時(shí),和導(dǎo)向碟片(fin ) 的角度有較大的差異 , 在精成型機(jī)的壓力下 , 鋼帶開(kāi)口管筒邊部側(cè)面產(chǎn)生劇烈的局部塑性變形 , 使鋼帶邊部異常增厚 。在鋼帶厚度較大 ( > 12.7 mm ) 時(shí) , 這不僅破壞銑邊后已形成的鋼帶邊部側(cè)面形狀 , 影響焊接質(zhì)量 , 也會(huì)在焊接時(shí)形成很大的內(nèi)毛刺 , 造成內(nèi)毛刺刮除困難 , 降低內(nèi)毛刺刀壽命 , 同時(shí)材耗也加大 。水平輥機(jī)架變形量減少 , 加之排輥成型機(jī)架中的外排輥和內(nèi)輥沒(méi)有孔型 , 它對(duì)鋼帶變形形狀的控制能力很弱 。同時(shí)由于鋼帶自身不可避免地具有板形、尺寸以及材質(zhì)上的不均勻性 , 力學(xué)性能也不可能保持絕對(duì)的對(duì)稱 , 因此在粗成型過(guò)程中鋼帶容易產(chǎn)生扭動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象 , 一旦出現(xiàn)扭動(dòng)(不穩(wěn)定) 現(xiàn)象 , 一旦出現(xiàn)扭動(dòng)現(xiàn)象 , 很難在精成型中得到糾正 , 嚴(yán)重時(shí)往往無(wú)法進(jìn)行正常的成型和焊接。
3.焊管產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量下降 。由于外排輥和內(nèi)輥對(duì)鋼帶不均勻變形 , 使焊管材質(zhì)局部加工硬化程度增大 , 殘余應(yīng)力大并且分布不均勻 。 盡管在外形尺寸上能夠符合產(chǎn)品要求 , 但材質(zhì)性能相對(duì)鋼帶母材已發(fā)生了較大變化 , 焊管內(nèi)在的韌性、延伸性、耐應(yīng)力腐蝕性能等都受到了損害 , 這對(duì)在寒冷地區(qū)使用的高鋼級(jí)管線管和要求抗腐蝕介質(zhì)的套管影響很大。
4.推力不足 , 焊接速度不穩(wěn)定 。在高頻鋼管成型過(guò)程中 , 完全依靠軋輥傳動(dòng)所提供的推力使鋼帶克服變形抗力并保持焊接速度的穩(wěn)定 。由于水平機(jī)架減少 , 使得克服變形的推力降低 , 特別在鋼帶厚度大、材質(zhì)強(qiáng)度高的情況下 , 容易出現(xiàn)推力不足的現(xiàn)象 , 鋼帶成型速度產(chǎn)生波動(dòng) 。為了彌補(bǔ)推力不足 , 穩(wěn)定焊接速度 , 也要求增加精成型機(jī)數(shù)量。
5.設(shè)備剛性差 , 厚壁和高強(qiáng)度焊管難生產(chǎn) 。與早期的比較 , 現(xiàn)在的排輥成型機(jī)中使用了許多內(nèi)輥 , 但內(nèi)輥數(shù)量增多以后也會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題 。 先 , 由于空間的限制 , 內(nèi)輥尺寸很小 , 如610 ( 24 in ) 高頻焊機(jī)的內(nèi)輥直徑 大僅有 200 mm左右 , 輥面寬度也在 100 mm 以下 , 這樣小尺寸內(nèi)輥容易在鋼帶內(nèi)表面造成局部的高應(yīng)力區(qū)和壓痕。同時(shí)由于空間限制 , 內(nèi)輥的支持裝置只能采用懸臂結(jié)構(gòu) , 內(nèi)輥強(qiáng)度和剛度不足。這個(gè)問(wèn)題是排輥成型技術(shù)的普遍難題 , 限制了這種成型機(jī)生產(chǎn)高強(qiáng)度和厚壁焊管。如 610(24 in) 排輥成型機(jī) ,對(duì) X60鋼級(jí)的焊管,當(dāng)直徑為 610 mm 時(shí),壁厚一般在 19 mm 以下;對(duì) X70 鋼級(jí)的焊管,壁厚在 16 mm 以下;對(duì) X80鋼級(jí)的焊管, 大壁厚僅12～13 mm 。
其次,為了適應(yīng)不同尺寸焊管生產(chǎn) ,必須安裝調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)這些內(nèi)輥進(jìn)行調(diào)整 ,或者采用許多尺的內(nèi)輥對(duì)應(yīng)焊管尺寸。采用調(diào)整機(jī)構(gòu)必然占用空間,更加削弱內(nèi)輥強(qiáng)度和剛度。因此在大多數(shù)情況下按照焊管尺寸大小,只有分檔采用不同尺寸內(nèi)輥 ,這樣就增加了換輥的工作量和軋輥成本
3 FFX成型技術(shù)(FFX flexible forming excellent ) 成型技術(shù)是于 20世紀(jì) 90年代后期開(kāi)發(fā)的。設(shè)計(jì)人員根據(jù)十幾年的設(shè)計(jì)、制造和使用20多套 FF成型技術(shù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ,對(duì)直縫焊管成型工藝以及各類輥式和排輥成型技術(shù)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)分析 ,建立了合理的成型理論后開(kāi)發(fā)出來(lái)的。FFX成型技術(shù)繼承了 FF 成型的部分技術(shù) ,但與FF成型技術(shù)完全不同,在變形量分配方面借鑒了輥式成型的大變形特點(diǎn),通過(guò)合理的成型方式 ,克服了輥式成型軋輥數(shù)量多,換輥時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。FFX成型技術(shù)的先進(jìn)性和主要特點(diǎn)如下:
( 1) FFX 成型機(jī)能生產(chǎn)鋼級(jí)更高、管壁更簿或更厚的焊管,這些產(chǎn)品用排輥成型工藝是很難生產(chǎn)的。
(2) FFX成型機(jī)的水平輥和立輥?zhàn)龅酵耆灿?。?FFX成型技術(shù)中,將漸開(kāi)線軋輥形狀與卷貼輥彎方法有機(jī)地結(jié)合在一起 ,使水平輥和立輥?zhàn)龅酵耆灿谩?BR>（3）變形量分配合理 ,成形工藝穩(wěn)定。在粗。成型階段 ,采用水平輥為主的大變形方式 ,使開(kāi)口管筒側(cè)面的曲率接近成品焊管,精成型變型量小。這種合理地分配變形量 ,使 FFX成型技術(shù)的成型工藝穩(wěn)定,克服了排輥成型由于變形量分配不合理而造成焊管缺陷的隱患。
(4)降低設(shè)備投資。由于粗成型水平輥對(duì)鋼帶的變形量大 ,克服變形的推力也大 ,因此在 FFX 成型機(jī)組中,精成型機(jī)架數(shù)量減至 2架 ,生產(chǎn)圓管時(shí)定徑機(jī)只要 3架。與排輥成型機(jī)相比,精成型機(jī)架數(shù)量和生產(chǎn)圓管時(shí)定徑機(jī)架數(shù)量各減少了 1架 ,降低了設(shè)備費(fèi)用。?
（5）采用連續(xù)彎邊成形法 ,為高頻焊接創(chuàng)造 佳的條件。FFX成型技術(shù)由于采用連續(xù)彎邊成型法 ,充分利用水平輥和立輥各自的成型特點(diǎn),使鋼帶斷面無(wú)變形死區(qū),更重要的是有效地克服了由于鋼帶厚度和強(qiáng)度變化而使變形不充分產(chǎn)生的彈性回復(fù)現(xiàn)象 ,提高了成型的正確性和穩(wěn)定性。粗成型后鋼帶邊部完全塑性變形,并且鋼帶開(kāi)口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 ,精成型機(jī)變形量小,不會(huì)改變粗成型后開(kāi)口管筒的形狀 ,為高頻焊接創(chuàng)造了 佳的條件。
(6) 提高了焊管質(zhì)量。與排輥成型技術(shù)比較 , FFX 成型技術(shù)還在以下兩個(gè)方面提高了焊管質(zhì)量: 先 ,在粗成型后 , 由于鋼帶開(kāi)口管筒邊部的曲率和成品焊管很接近 ,不會(huì)在精成型階段和擠壓輥機(jī)擠壓階段產(chǎn)生錯(cuò)位 ,即使是高強(qiáng)度、厚壁焊管,在精成型后鋼帶邊部的兩個(gè)側(cè)面也很容易做到平行 而非正 V 形或倒 V 形 對(duì)接 ,擠壓后在焊管內(nèi)外表面形成均勻的毛刺 ,有利于毛刺的刮除和打斷。當(dāng)鋼帶銑邊時(shí),鋼帶兩側(cè)面銑成與鋼帶表面成 90 °排輥成型時(shí),要求鋼帶兩側(cè)面和表面成 3 °～5 °,在成型過(guò)程中也不會(huì)受到破壞。同時(shí)在高頻焊機(jī)前可以采用較大的 V 形焊接角度 ,有效地防止灰斑等焊接缺陷。
另外 , 由于采用連續(xù)彎邊成型方法和獨(dú)特的軋輥孔型設(shè)計(jì) ,鋼帶斷面的任何部位在粗成型中 多只承受一次變形 ,并且變形過(guò)渡銜接得很好 , 不易出現(xiàn)某一部位因多次受到軋輥的壓力而產(chǎn)生局部減薄。因此 ,變形均勻 , 內(nèi)應(yīng)力小,提高了焊管的內(nèi)在質(zhì)量。
(1)機(jī)械強(qiáng)度大、剛性高,可生產(chǎn)高強(qiáng)度厚壁鋼管。由于 FFX成型技術(shù)的變形以水平輥為主 , 而且粗成型后段的立輥也無(wú)需使用內(nèi)輥來(lái)控制變形 ,因此設(shè)備結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高剛度 ,可以生產(chǎn)高強(qiáng)度厚壁鋼管。
(2)柔性和剛性兼?zhèn)?,適應(yīng)性強(qiáng)。由于 FFX 成型機(jī)變形具有柔性和剛性兼?zhèn)涞奶攸c(diǎn),不僅適合于生產(chǎn)高精度焊管、高合金不銹鋼焊管和低合金高強(qiáng)度鋼焊管,也適用于生產(chǎn)薄壁和厚壁焊管。如 610 (24 in) FFX 成型機(jī) ,不僅可生產(chǎn) <219 mm×2.5 mm 和 <610 mm ×6.0 mm 薄壁焊管,也可生產(chǎn) <219 mm×16.0 mm 和 <630 mm ×22 mm 厚壁焊管。據(jù)了解目前世界上各種類型的排輥成型機(jī) ,都不能生產(chǎn)上述薄壁和厚壁鋼管,也很少采用排輥成型機(jī)生產(chǎn)不銹鋼焊管。
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