高頻鋼管成型技術(shù)在國際鋼管行業(yè)的地位
高頻鋼管成型技術(shù)按時間段和成型方式發(fā)展的三個階段 , 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)。本文詳細論述了各成型技術(shù)的發(fā)展過程以及優(yōu)缺點。通過對比分析指出，隨著各行業(yè)對焊管品種、質(zhì)量、成本的要求越來越高，在今后相當一段時間內(nèi)新建和改造焊管機組時，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)計制造部門和使用部門十分關(guān)心的問題。
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架 ,在水平機架之間設(shè)置一些立輥機架。對尺寸較大的焊管,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)使用了很長時間 。 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 , 費用也越大。在沒有快速換輥裝置的條件下 , 換輥時間很長 , 一般需要 1～2 個班工作時間 , 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
針對輥式成型技術(shù)存在的問題 , 為了減少輥式成型機軋輥數(shù)量 , 降低費用 , 縮短換輥時間 ,美國 Torrance 公司 先推出了在輥式成型機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 Yoder 公司對其進行了改進 , 由于當時設(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 。隨著時間的推移 , 經(jīng)過不斷發(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大到小直徑焊管。
2. 2 技術(shù)優(yōu)點
( 1) 粗成型軋輥數(shù)量減少 , 降低了軋輥費用和換輥時間 。排輥成型技術(shù)的粗成型機一般由 2架水平輥式機架與許多外排輥和內(nèi)輥組成 , 對于產(chǎn)品范圍內(nèi)的所有焊管尺寸 , 1機架的軋輥通常情況只需要一套 , 但 2 機架的軋輥和內(nèi)輥就需要有幾套。這和輥式成型機相比 , 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 。精成型機和定徑機廣泛采用等剛性機架和快速換輥裝置 , 換輥時間由過去的1～2個班大大地縮短為幾十分鐘 。換輥時間縮短 , 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 20世紀 80 年代中期以后 , 是排輥成型技術(shù)大發(fā)展時期。
2.3 存在的問題
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架(breakdown stand), 使原本由水平輥機架變形的變形量 , 較多地轉(zhuǎn)移到排輥段和精成型機上 。 排輥段由許多外排輥和一些內(nèi)輥組成 , 外排輥主要是通過對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 , 對于厚度大和材質(zhì)強度高的鋼帶 , 變形程度受到了限制 , 難以達到充分塑性變形的目的 , 變形死區(qū)更嚴重 , 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、定徑機的數(shù)量 。在高頻鋼管生產(chǎn)中 , 鋼帶邊部的變形狀態(tài)對焊接質(zhì)量的影響極大 。 好的鋼帶開口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 , 而且這個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 , 要求增加精成型機和定徑機數(shù)量 , 所以目前世界上主要三家公司生產(chǎn)的排輥成型機 , 其精成型機和生產(chǎn)圓管時的定徑機數(shù)量都是 3架和 4架。盡管精成型機架數(shù)量增加了 , 但是粗成型后由于鋼帶開口管筒邊部的 V 形角度得不到有效的變形控制 。厚度較大的焊管進入精成型機孔型中時,和導(dǎo)向碟片(fin ) 的角度有較大的差異 , 在精成型機的壓力下 , 鋼帶開口管筒邊部側(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 , 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 , 也會在焊接時形成很大的內(nèi)毛刺 , 造成內(nèi)毛刺刮除困難 , 降低內(nèi)毛刺刀壽命 , 同時材耗也加大 。水平輥機架變形量減少 , 加之排輥成型機架中的外排輥和內(nèi)輥沒有孔型 , 它對鋼帶變形形狀的控制能力很弱 。同時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 , 力學性能也不可能保持絕對的對稱 , 因此在粗成型過程中鋼帶容易產(chǎn)生扭動不穩(wěn)定現(xiàn)象 , 一旦出現(xiàn)扭動(不穩(wěn)定) 現(xiàn)象 , 一旦出現(xiàn)扭動現(xiàn)象 , 很難在精成型中得到糾正 , 嚴重時往往無法進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 , 這對在寒冷地區(qū)使用的高鋼級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 。在高頻鋼管成型過程中 , 完全依靠軋輥傳動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 。為了彌補推力不足 , 穩(wěn)定焊接速度 , 也要求增加精成型機數(shù)量。
5.設(shè)備剛性差 , 厚壁和高強度焊管難生產(chǎn) 。與早期的比較 , 現(xiàn)在的排輥成型機中使用了許多內(nèi)輥 , 但內(nèi)輥數(shù)量增多以后也會產(chǎn)生一些問題 。 先 , 由于空間的限制 , 內(nèi)輥尺寸很小 , 如610 ( 24 in ) 高頻焊機的內(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)輥強度和剛度不足。這個問題是排輥成型技術(shù)的普遍難題 , 限制了這種成型機生產(chǎn)高強度和厚壁焊管。如 610(24 in) 排輥成型機 ,對 X60鋼級的焊管,當直徑為 610 mm 時,壁厚一般在 19 mm 以下;對 X70 鋼級的焊管,壁厚在 16 mm 以下;對 X80鋼級的焊管, 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)整機構(gòu)對這些內(nèi)輥進行調(diào)整 ,或者采用許多尺的內(nèi)輥對應(yīng)焊管尺寸。采用調(diào)整機構(gòu)必然占用空間,更加削弱內(nèi)輥強度和剛度。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 90年代后期開發(fā)的。設(shè)計人員根據(jù)十幾年的設(shè)計、制造和使用20多套 FF成型技術(shù)的實踐經(jīng)驗 ,對直縫焊管成型工藝以及各類輥式和排輥成型技術(shù)進行科學系統(tǒng)分析 ,建立了合理的成型理論后開發(fā)出來的。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,通過合理的成型方式 ,克服了輥式成型軋輥數(shù)量多,換輥時間長的缺點。FFX成型技術(shù)的先進性和主要特點如下:
( 1) FFX 成型機能生產(chǎn)鋼級更高、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成型機的水平輥和立輥做到完全共用。在 FFX成型技術(shù)中,將漸開線軋輥形狀與卷貼輥彎方法有機地結(jié)合在一起 ,使水平輥和立輥做到完全共用。
（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鋼帶的變形量大 ,克服變形的推力也大 ,因此在 FFX 成型機組中,精成型機架數(shù)量減至 2架 ,生產(chǎn)圓管時定徑機只要 3架。與排輥成型機相比,精成型機架數(shù)量和生產(chǎn)圓管時定徑機架數(shù)量各減少了 1架 ,降低了設(shè)備費用。?
（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,使鋼帶斷面無變形死區(qū),更重要的是有效地克服了由于鋼帶厚度和強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,并且鋼帶開口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 ,精成型機變形量小,不會改變粗成型后開口管筒的形狀 ,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)還在以下兩個方面提高了焊管質(zhì)量: 先 ,在粗成型后 , 由于鋼帶開口管筒邊部的曲率和成品焊管很接近 ,不會在精成型階段和擠壓輥機擠壓階段產(chǎn)生錯位 ,即使是高強度、厚壁焊管,在精成型后鋼帶邊部的兩個側(cè)面也很容易做到平行 而非正 V 形或倒 V 形 對接 ,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。當鋼帶銑邊時,鋼帶兩側(cè)面銑成與鋼帶表面成 90 °排輥成型時,要求鋼帶兩側(cè)面和表面成 3 °～5 °,在成型過程中也不會受到破壞。同時在高頻焊機前可以采用較大的 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)彎邊成型方法和獨特的軋輥孔型設(shè)計 ,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)機械強度大、剛性高,可生產(chǎn)高強度厚壁鋼管。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需使用內(nèi)輥來控制變形 ,因此設(shè)備結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)高強度和高剛度 ,可以生產(chǎn)高強度厚壁鋼管。
(2)柔性和剛性兼?zhèn)?,適應(yīng)性強。由于 FFX 成型機變形具有柔性和剛性兼?zhèn)涞奶攸c,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 ,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 ,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生產(chǎn)不銹鋼焊管。
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