c
b
a
á
图 6 扇形块结接触包角
由 3 式可知 摩擦系数一定的情况下 扇形块的数目 n 越大
逐渐趋于均匀 但当 n 超过 8 ~ 12 块以后 块
è/ σ
' θ
的比值变化不明显
è/σ
' θ
的比值越小
应力分布
因此生产中大多采用 8 ~ 12
4.3 扩胀速度 一般而言 胀形速度增加可改进材料的拉胀性能 当接触区采用液体润滑时 提高速度会改进
然而 我国大口径直缝焊管制造技术处在落后水平 目前国内只有少数几家具有大口径直缝焊 管生产能力 而且均采用进口设备生产 不能满足国内 国际上对大口径直缝焊管的需求 为改变 这种状况 必须尽快发展直缝埋弧焊管技术 开展广泛的研究 研制出具有先进水平的大口径直缝 焊管机组 生产出高质量的直缝焊管满足我国发展的需要
1 直缝焊管扩径方法及其特点
直缝焊管扩径方式分为机械扩径和水压扩径两种 机械扩径机主要由送管小车和扩径头组成 扩径头由若干个扇形块 扩胀块 组成 套在锥形芯轴上 而芯轴通过拉杆固定在液压缸的活塞杆 上 当液压缸活塞和拉杆 芯轴向右移或向左移时 套在锥形芯轴表面的扇形块向外扩展或缩小 扩径头伸入管坯内 使管坯向外扩张 达到扩径的目的 机械扩径通过将管子扩张到屈服点而达到 对管子的整形和矫直 并且可以消除前面成形工序及焊接过程形成的残余内应力 水压扩径则是将 高压水注入焊管管坯内 达到焊管屈服时再增压 使焊管产生塑性变形 实现扩径的目的 机械扩
度 消除内应力等 不允许管壁有明显的减薄和壁厚不均匀现象 但由于扩胀工艺存在不可避免的
变形不均匀性 为确保成管质量 需严格控制扩径率 根据有限元仿真结果和实践经验 一般取为
0.8% ~ 1.5%之间 在直缝焊管生产实践中多采用 1%左右
4.2 扇形块的数目
造成扩径成形应力 应变不均的主要原因是摩擦力 这与扇形块与管坯的接触包角 也称为扇
作者简介 肖曙红 男 汉族 1968 年生 湖南衡阳人 博士 副教授 华南理工大学材料科学与工程博士后流动站 番禺珠江钢管有限公司博 士后工作站博士后 广东工业大学机电学院副教授 研究方向为数控机床高速化 先进制造装备及其自动化 先进制造技术 材料加工工程 联系 地址 广州市番禺区清河东路石基路段番禺珠江钢管有限公司, 邮编 511450, E-mail: shxiao@
同时 由于机械扩径是利用多个扇形块组成的凸模径向扩张 使管坯扩胀成形 管坯与扇形块
接触部分存在较大的摩擦力 管坯变形受阻 而在扇形块之间的间隙部分 变形大 所以管坯的切
向应力 应变分布不均匀 当扩径量较大时 与扇形块边缘接触部分易形成棱角 如图 4 所示
3 机械扩径成形对扩径机的力能要求
对大口径厚壁直缝焊管进行机械扩径的关键设备是机械扩径机 开发机械扩径机最关键的问题 确保机械扩径机具有足够的力能 准确计算出作用在锥形芯轴的拉力 也称机械扩径力 见图 5 根据机械扩径机的工作原理和扩径工艺特点 由扇形块 扩胀块 的受力平衡条件 可推导出扩径 力的计算公式
大口径直缝焊管机械扩径工艺研究
肖曙红
(番禺珠江钢管有限公司博士后工作站 广州 511450) (华南理工大学机械工程学院 广州 510641)
郑时雄
(华南理工大学机械工程学院 广州 510641)
摘要 结合大口径直缝焊管机械扩径机组开发项目 分析了大口径直缝焊管机械扩径工艺的特点 利用 有限元方法对机械扩径成形机理和成形过程进行了仿真 讨论了机械扩径对扩径设备的力能要求 在此 基础上 对机械扩径的主要工艺参数及其对扩径质量的影响进行了详细的论述 为扩径机组的开发提供 理论依据 关键词 直缝埋弧焊管 机械扩径 胀形工艺
润滑性能 从而提高材料变形的均匀性 另外 提高胀形速度 还可以提高材料的成形性能和塑性
这是因为应力和应变速度之间存在以下关系[7]
.m
σ =Cε
4
式中 C 应力应变常数
m 应变速率敏感指数
.
ε 材料变形速度
.
变形速度ε 大的地方 提高了变形抗力 ó
因而使其余变形速度小的部分
也参与变形
提高
4
了材料均匀塑性变形程度 4.4 扇形块的边缘圆角
图 1 扩径前
2 扩胀成形阶段 管坯在扩径头作用下 直径不断扩大 壁厚不断减薄 开始时 体的应力达到屈服极限时 管坯便进入塑性变形阶段 如图 3
图 2 整圆过程
管坯处于弹性变形阶段
当管
2
3 卸载回弹阶段 扩径头回撤 管坯变形有一定的弹性回复 如图 4
图 3 扩胀成形过程
图 4 扩径后回弹结果
3
4 影响机械扩径质量的主要因素
影响厚壁 大口径直缝焊管全长机械扩径质量的因素有很多 其中与成形过程直接相关的因素
有 扩径率 扇形块的数目 扩径速度 胀形速度 扇形块的边缘圆角以及扇形块与管坯内壁间
的摩擦与润滑等
4.1 扩径率
机械扩径率是指管坯扩径前后直径变化的比率 直缝焊管扩径的主要目的是提高焊管的尺寸精
1
径机与水压扩径机相比 设备重量和外形尺寸大大减小 结构简单 扩径质量高 是目前广泛采用 的扩径方法 它与水压扩径相比 主要特点还包括
(1)生产大口径焊管时效率高 由于水压扩径时需要先充低压水 然后再增压 达到钢管屈服强 度时再增压 随着生产的管径逐渐增大 效率将大幅度降低
(2)容易满足对钢管内径尺寸的严格要求 当敷设长输管道时 钢管在野外工地安装焊接 以内 径为基准 两根钢管管端对钢管内径尺寸精度 的要求也日益严格 而水压扩径是用外模套控制钢管外径 不能保证内径尺寸精度 机械扩径则是 用插入钢管内的扩径头进行扩径 因此 完全可以控制钢管内径尺寸精度 而与壁厚变化无关
由于机械扩径成形的特点 壁出现明显的棱角
扇形块的边缘应该作成 r
1.5~2 ä 的圆角 以免成形后管坯内
4.5 扇形块与管坯内壁间的摩擦与润滑
在胀形成形过程中 关键问题是确保材料变形均匀 润滑对扩胀成形的均匀性具有良好的效果
从 3 式可以看出 扇形块与管坯内壁间的摩擦系数越大 在扩胀模具结构一定的情况下
5
大口径直缝焊管机械扩径工艺研究
作者： 作者单位：
肖曙红， 郑时雄 肖曙红(番禺珠江钢管有限公司博士后工作站,广州,511450;华南理工大学机械工程学院,广州,510641)， 郑 时雄(华南理工大学机械工程学院,广州,510641)
本文链接：/Conference_6075531.aspx
(3)圆度好 水压扩径时 因外焊缝与外模套接触 使其附近的管壁凹陷 破坏了钢管的圆度 机械扩径时 只要把焊缝对准扩径头上扇形块间的沟槽 扩径时焊缝部位不受约束从而形成光滑面 这样就有效地减少了由焊接部位引起的破坏
(4)管端形状和尺寸精度高 水压扩径时 钢管两端需要压入锥形压头 靠镶在压头上的密封胀 圈进行径向密封 这样 钢管管端与压头接触部分扩径效果与钢管管体部分不一致 而机械扩径则 无此现象 管端形状和尺寸好 对野外现场安装和对焊均有利
5 结论
直缝焊管机械扩径工艺分为三个典型阶段 整圆 扩胀成形和回弹 各个阶段各有特点 作为 刚性模胀形工艺的典型应用 在直缝焊管机械扩径过程中同样存在变形不均匀现象 为了提高成管 的质量 必须采取适当措施 尽量使扩径后管体内应力应变均匀化 分析表明 选择合适的扩径率 合理的扇形块数目 适中的扩径速度 胀形速度 和扇形块的边缘圆角以及对扇形块与管坯内壁接 触区进行良好的润滑 减少变形摩擦力等对于提高机械扩径质量具有良好的效果
è/σ
' θ
的比值就越大 说明管坯在扇形块间隙区与接触区所受的拉应力差值越大 扩胀变形的不均匀性越
明显 因此 增强润滑 使接触区的摩擦系数减少
è/ σ
' θ
的比值越趋近
1
则变形越均匀
除了上述与切向变形均匀性相关的因素之外 单位步长扩径有效长度 送管机构的直线度 扩
胀头与管坯的同心度等还将影响直缝焊管的全长直线度和纵向变形质量
0 前言
目前石油 天然气等的长距离输送主要采用管道 所用的管线钢管有两种 一种是螺旋埋弧焊 管 另一种是直缝埋弧焊管 由于螺旋埋弧焊管是以带钢为原料 壁厚有限 钢级提高受到材料热 处理的限制 加之螺旋埋弧焊管存在着焊缝长 残余应力较大 焊缝可靠性差等难以克服的缺点 随着对油气输送钢管要求不断提高 已满足不了要求 大口径直缝焊管正在逐步取代螺旋焊管 我 国近年油气长距离输送管道以及海底管道 输煤管道以及跨国油气管道等的建设 都要求全部或大 部分采用直缝埋弧焊管[1][2][3]
但是 由于焊管的长度一般较长 标准长度为 12.2 米 而机械扩径受扩径机力能所限 每次扩 径的有效长度有限 因此机械扩径常需一段一段 采用步进方式才能完成焊管全长的扩径 这对机 械扩径机组的设计提出了较高的要求
2 机械扩径成形过程
机械扩径成形过程可以分为整圆 扩胀成形和卸载回弹三个主要阶段 图 1 图 4 为口径 Ô1066 mm 壁厚 15.9 mm 钢级 X60 的直缝焊管机械扩径过程有限元分析结果(由于结构的对称性, 取 1/4 横截面分析)及扩胀成形各阶段的等效 Von Mises 应力分布情况 成形各阶段及其特征如下:
生产大口径直缝埋弧焊管的成形方法很多 如 UOE 法 CFE 排辊成形法 RBE 辊弯成形法 JCOE 成形法 C 成形法 PFP 逐步折弯成形法等 不同的方法有不同的特点 为了改善成管的质量 在这些成形方法中 大多数方法的最后一道工序都是对焊管管坯的扩径 Expanding 扩径是一种 利用液压力或机械力从钢管内壁使钢管径向向外扩胀成形的一种工艺 它可以消除钢管成形以及焊 接过程中形成的残余内应力 提高钢管几何尺寸精度及强度 扩径已成为大口径直缝焊管生产中确 保成管质量的一道重要工序 大多钢管用户均要求直缝焊管必须经过扩径工序[4][5]
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