大口径直缝焊管机械扩径工艺研究
关于直缝埋弧焊管扩径工具修复技术的探讨
Ａ ｂｓ ｒ ｔ ａｃｔ Ｄ ｕ ｉ ｔ ｒ ｐｅａ ｅ ｙ ｅ ｐａｎｄ ｎｇ ｐｒ ｃ ｓ ｏｆｔ ： ｒ ｎｇ ｈｅ ｅ ｔ ｄｌ — ｘ ｉ ｏ ｅｓ ｈｅ ＳＡ Ｗ Ｌ ｐｅ， ａ ｏｎｇ ｈｅ ｐｅｒ ｔｏｎ ｔ ｌ ｈ ｐｉ ｍ ｔ ｏ ａ ｉ ｏｏ ｓ ｏｆ ｔ ｅ
ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｍａ ｈ ｎ ， ｔ ｅ ｔ ｐ ｒｐ ｒ ｉ ｏ ｔ ｎ ｄ ｍａ ｅ ｃ ａ ｉ ａ ｘ ａ ｄ ｎ ｃ ｉ ｅ ｈ ａ ｅ ａ ｔ ｓ ｆｅ ａ ｇ ｄ， ａ ｄ ｔ ｕ ｅ ｄ ｏ ｂ ｅ ａ ｒ ｄ ｎ ｈ ｓｎ ｅ ｓｔ ｅ ｒ ｐ ｉｅ ．Ｈｏ ｖ ｒａ ｒ － ｗｅ ｅ ｔ ｅ ｐ
关 于 直 缝埋 弧 焊 管 扩径 工 具 修 复技 术 的 探 讨
王 占理 ，王振 生 ，龚亚勇 ，张学华 ，王 炬 ，蔡
３ 渤 海 能 克 钻 杆 有 限公 司 ，河 北 青 县 ０ ２ ５ ． ６ ６ ８）
ห้องสมุดไป่ตู้娜
（１ 巨龙钢管有 限公 司 ，河北 青县 ０ ２ ５ ；２ 湖南科技 大学 机电工程学 院 ，湖南 湘潭 ４ ２ １ ． ６６ ８ ． １ ０： １
ｓ ｎｔｎｏ ｓ ｔｓ ａ ｔ ｙｒ ｐａｉ ｅ ｅ ａ ｉｆ ｃ ｏｒ ｅ ｒｔ ｃｈｎｉ ｑｕｅ ｆ ｒｓ ｒｏ ｌ ｍ ａ ｄ ｔ ｅｒｔ ｌｉ ａｉａｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｏ ｅ ｉ ｕｓ ｙ ｄａ ｇｅ ａｐ ｏｏ ｓａｖ ｌ ｌ ｔｈｏ ．Ｅｌ ｂｏ ａ ｅｄ ｉ ｈｅ ａ ｔｃ ｅ ａ ｒ ｔ ｎ ｔ ｒｉ ｌ
摘
要 ：在直缝埋弧焊管 的重复扩径 过程中 ，机械扩径机扩径 工具 中的锥体容易损伤 ，需要进行 修复 ，但 目
前 国内对损伤严重 的工具还没有较好 的修复 技术 。介绍 了机械扩径机扩 径工具易损件的各种修复方法 ，并 对各种 方法 的应用范 围和优缺点进行分析 总结 ，提出了适合 国内厂家使用 的两 种修复方法 ，即电刷镀修 复技 术和激光熔 覆 与热 喷涂复合修复技术 关键 词 ：直缝埋弧焊管 ；扩径工具 ；锥体 ；修复技术 ；电刷镀修复 ；激光熔覆与热喷涂复合修复
大直径管道焊接技术的研究
大直径管道焊接技术的研究[摘要] 本文对管线钢及其焊接特性进行了分析,对大直径管道内环焊缝焊接工艺和焊接方法进行比较,根据具体的焊接结构选择了备料方案和焊丝,设计了适合大直径管道内焊机根焊的坡口形式,提出了焊接质量检查的方法。
[关键词] 大直径管道焊接性能焊接工艺分析随着我国经济的快速发展,被誉为工业动脉的大直径长输管道更是继公路、铁路、水运、航空后的第五种运输手段。
而大直径管道建设的核心任务之一就是管道的环焊缝焊接。
因此,开展管道工程的焊接技术的研究是管道优质、高效施工的必然要求。
1大直径管道焊接的技术分析1.1管线钢及焊接性能分析管线钢根据显微组织形态通常可以分为三种类型,即铁素体-珠光体或少珠光体管线钢、针状铁素体管线钢、铁素体-贝氏体或马氏体管线钢。
[1]针状铁素体管线钢为第二代微合金管线钢,它是目前也是今后10-20年输送管线工程的主流钢种,强度级别范围可覆盖X6O-X90。
本文以针状铁素体管线钢X80为例研究其焊接性能, 其化学成分(表1)和力学性能(表2)如下:表1 X80化学成分%材料 C Si Mn Cr Ni TiX80 0.05 0.23 1.37 0.045 0.14 0.018P S Cu Nb B Mo0.14 0.006 0.045 0.04 0.006 0.017表2 X80力学性能材料抗拉强度(Mpa) 屈服强度(Mpa) 伸长率(%) 冲击吸收功Akv(-20℃)/JX80 ≥738≥639≥27.6102X80通过形变强化而使材料具有很高的强韧性,同时X80也是高度的洁净钢。
因此该钢对焊接过程提出了特殊的要求:(1)防止焊接热影响区的晶粒粗化:焊接热影响区晶粒粗化是不可避免的现象,晶粒长大弱化了焊接接头的使用性能。
由晶粒长大动力学可知,晶粒越细越容易长大。
尤其是X80的原始组织为细小的针状铁素体组织,其晶粒直径在5-10μm之间。
(2)防止焊接热影响区软化与脆化: 针状铁素体管线钢是利用形变使晶粒细化从而获得高的韧性。
焊接钢管机械扩径工艺和水压扩径工艺技术分析
焊管 ・ ２ 第 ９卷第 ４期 ・ ０６年 ７月 ２０
焊 接 钢 管 机械 扩径 工 艺
和 水 压 扩 径 工 艺 技 术 分 析
王利树 ，黎剑峰
（ 禺珠 江钢管 有 限公 司 ，广州 ５ １ ５ ） 番 １４ ０
摘 要 ：详细阐述了焊接钢管机械扩径和水压扩径的定义与工作原理 ， 结合 生产 实践 着重从
１２ ２ 水压 扩径原 理 ．． 水 压扩 径原 理如 图 ２所 示 。水 压扩径 机两 端
管进 行扩径 的工艺 ， 扩径 头 由一组 锥形 楔块组 成 ， 是一 种分块 、 段式 凸模 刚性 胀形 工艺 。 分
头将钢管两端密封 ， 外模将钢管包住 ， 从一端向钢 管 内注入高压乳化液 ， 高压乳化液将 钢管扩胀到
见 图 ６的过渡 曲线
为模具 中间截面上的钢管壁厚 由于得到的收缩补
偿 最小 ， 因此壁厚 最 薄 ； 在越靠 近模 具 两端 的部 而 位 ， 到 的收缩 补偿越 大 ， 壁厚 越厚 。在力学 性 得 其 能上则 表现 为应 力分 布不 均匀 。水压 扩 径机是 采 取 外模 包容 法 ， 收缩 时钢 管 未 与 外模 内壁 紧密 在 接 触 ， 摩擦 力很 小 ， 其 再加 上水压 机 的轴 向推力 补 偿 作用 可使 钢管 各 截 面 得 到均 匀 的收 缩率 ， 效 有 地 避免 了轴 向壁厚 误 差和 局部残 余应 力 。 ２２ 扩径对 接 头部 位 的影 响 ． 机械扩 径采 取 分 段 式扩 径 ， 每两 次 扩 径 步 在 距 之 间有一 个接 头 区段 （ 口～６ ， 区段 变 型状 况 ）该 比较复 杂 ， 在第一 次扩 径 时 ，６段 受 拉伸 长 ， 口 同时 存 在拉 应力 ， 对第 二 段 口口段 扩 径 时 ，６段 又 而 口 变成压 应力 ， 已经拉 长后 的管 段 再缩 短 是 比较 困 难 的 ， 口口段 内扩胀 时 ，６段 由于 被 轴 向拉 长 ， 在 口
焊接钢管机械扩径工艺和水压扩径工艺技术分析
焊接钢管机械扩径工艺和水压扩径工艺技术分析摘要：随着陆上和海上石油和天然气的迅速发展。
目前，对管道钢管制造工艺的要求越来越高，延伸工艺是钢管制造标准的要求之一。
本文详细介绍了焊接钢管机械扩径和水压扩径的定义和工作原理。
结合生产实际，从工艺技术角度分析了二者的异同，并对两种胀接设备的选择提出了相应的建议。
关键字：钢管焊接机械扩径水压扩径工艺技术一、钢管焊接概述：（一）焊接方法根据我国管道企业的经济实力、人员技术水平、设备及环境条件，远洋道路设备常用的焊接方法如下：1、手工焊条上焊2、手工焊条下焊3、自容药芯焊丝半自动焊4、RMD-STT气体保护半自动焊5、道全位置自动焊接（二）钢管焊接工艺特点：1.焊接设备简单,只需性能优良的手工弧焊直流电源；2.e8010-g纤维素焊条用于热加油，也具有良好的工作能力，3.e8010纤维素焊条用于焊接，性能良好；9316无损焊接试验比手工上焊合格，根焊道焊接采用E6010纤维素焊条,此焊条的操作性能良好,具有中等操作水平的焊工就可焊出合格的焊缝；4.具有数字预置和焊接电流特性，适用于长电缆焊接、防尘、防砂、防水、抗冲击施工，环境适应性好。
5.填充、盖面焊道采用E8018-G低氢下向焊焊条,此焊条的操作性能较差；6.焊缝无损检测合格率比手工上向焊高,但比纤维素焊条下向焊和药芯焊丝下向焊低;7.焊缝力学性能较好,具有较高的塑韧性和抗裂性。
熊谷长输管道焊接设备之管道下向焊焊机ZX7-400S-X适用焊条电弧焊、简易直流氩弧焊、纤维素焊条下向焊，具有焊接电流数字预设、显示，适合长电缆焊接，防尘、防沙、防水、防震设计，环境适应性好等特点。
二、扩径工艺分析：（一）扩径时钢管轴向收缩对其尺寸、性能的影响钢管轴向收缩对扩径时尺寸和性能的影响，当钢管急剧扩径时，它会轴向收缩以补偿扩径。
是壁厚。
损失。
钢管机械胀接时的外表面和内表面，表面有一定的摩擦力，其方向与钢管的轴向收缩力一致，恰恰相反。
大口径直缝焊管扩径后外表面周向残余应力的估算
若沿轴向将 直缝焊管劈开解除其周 向约束 ， 使 ｓ 得到释放 ， 。 则焊管外径将 回弹至 Ｄ （ 见图
２， ）对应 的周 向塑性 应变 为 ：
。 一
一
周 向的塑性 应变 ； 焊 管外径 ， ｉ； ｍｌ ｌ
力测量结果 的比较来评价公式 （ ） ７ 的估 算精 度 ，
并分 析其 应用 条件 。
一
焊管壁厚 ， ｍ。 ｍ
测试用 Ｘ ０ ７ 级直缝焊管的拉伸力学性能 、 公 称规格和扩径率分别如表 ｌ 和表 ２ 所示。
表 ｉ 测试 用管材 （ Ｔ Ｘ ０级 ） 的拉伸 力学性 能
直缝焊 管 内 的残余 应力 可用 环 劈法 （ ｉ Ｒｎ ｇ Ｓｌｔ ｇ 进行估算 。笔者通过对 Ｘ ０ ｐｔ ） ｉｉ ｎ ７ 级直缝埋弧
工艺先压制 出直缝焊管 的开 口管坯 ， 然后再使管 坯开 口闭合并进行 直缝焊接 ， 最后 通过扩径使直
缝焊管的尺 寸达到规定要求 。Ｕ Ｅ直缝焊管 的 Ｏ 成型过程如图 ｌ 所示 。
中图分类 号 ：Ｔ １３２ 文献 标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１０ — ９ ８ ２０ ） ２ ０ １— ３ Ｇ １．５ ０ １ ３３ （０６ ０ — ０ ３ ０
０ 引 言
石油 、 天然气资源在海洋、 寒冷及边远地区的
开发对长输管线建设用焊管的质量提出了越来越 高的要求 ， 其中包括对其残余应力水平的定量要
鉴于与外径 相 比， 直缝焊管的轴向长度很 大， 在扩径过程中其轴向变形受尺寸约束， 因此可 以认为对应的弹性应变 为 ０ 。
取 ＝０ 则 由式 （ ） ， ４ 和式 （ ） ： ５得
直缝焊管机械扩径工艺技术研究
艺技术参数 ， 出了扩径 工具 的结 构和轮廓 参数对获得 良好 的钢 管扩径质 量的意 义， 指 讨论 了影响机械 扩径 力
大小的 因素 ， 并给 出了扩径扩径 ； 径 率 ； 径 力 直 机 扩 扩 中图 分 类 号 ： Ｇ ３ ．５ 文献 标 识 码 ： 文 章 编 号 ：０８—０ １ （０ ８ ０ ０ ６ ０ Ｔ ３５７ Ｂ １０ ７ ６ ２０ ）３— ０ ２— ４
高 Ｊ 目前世 界 上 最 先 进 的几 条 大 口径 直 缝 焊 。
当今 世 界上 制造 大 口径直 缝埋 弧焊 管 的成 型
方法 有很 多 ， 型 方法 有 ： Ｏ 典 Ｕ Ｅ成 型 法 、 辊成 型 排 法 （ Ｆ ） 辊弯成 型 法 （ Ｂ ） 卷板 成 型法 （ Ｕ— ＣＥ 、 ＲＥ 、 Ｈ ＭＥ Ａ ） 折 弯 成 型 法 （ Ｆ 、Ｃ Ｅ 和 Ｃ ＴＬ、 Ｐ Ｅ） ＪＯ Ｅ成 型 法 Ｊ 。不 同 的方 法 有 不 同 的特 点 ， 为保 证 和 提 但 高成 品管 质量 ， 大 多 数 成 型 方 法 的 最 后一 道 工 绝 序都 是对 焊 接 后 管 坯 再 进 行 一 次 全 长 扩 径 （ ｘ Ｅ—
ｔ ｎｆｒ ｌ ｆ ｅｅｐｎ ｉｇｆ ｃ ａ ｌ ｖｎｏｔ ｉ ｍｕａｏ ｔ ｘ ａｄｎ ｒｅｗ ｓ ｓ ｇ ｅ ｕ． ｏ ｏ ｒｈ ｏ ａ ｏｉ
Ｋｅ ｒ ｓ Ｌ ＡＷ ｉ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｅ ｐ ｎ ｉｎ； ｘ ａ ｄｎ ａｉ ；ｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｆｒ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｓ ｐ ｐ ； ｃ ａ ｉａ ｘ ａ ｓｏ ｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｒ ｔ ｏ ｘ ａ ｄ ｎ ｏ ｃ
直缝埋弧焊管机械扩径影响因素分析
影响 ； 另外 ， ５种 成型方式生产 的钢管 ， 圆度均 这 椭
较大 ， 尤其是 Ｊ Ｏ和 ｃ成 型钢管 。因此 ， Ｃ 必须 通过
管是 以带 钢为 原料 ， 壁厚 有 限 ， 加之 螺旋埋 弧焊 管 存在 焊缝 较长 、 残余 应力 较大 、 焊缝 可靠性 较差 等 难 以克服 的缺 点 ， 在人 口稠 密 地 区 和 可靠 性 要求
很 高 的地 区 ， 大直 径 直缝 埋 弧 焊 管 已逐 步取 代 螺 旋埋 弧焊 管 ¨ 。
扩径 、 圆等工 艺提高钢管 的几何精 度。 整
１ ２ 减 少或 消除在制 管 、 验过 程 中引起 的 包辛 ． 试
格 效 应
由于钢管在 成型 和试 验过 程 中会产 生包 辛格
效应 ， 使屈服强度 下降 ， 而钢管在 扩径 时冷作硬化 ， 扩径后 可提 高钢管 的屈服 强度 ， 这样就减 少 了为 达 到钢管 的强 度要求而提高板材 等级所造成 的浪 费。 １ ３ 消除钢 管成型 和焊接 的残 余应 力 ．
Ａｂｓｒ ｃ Ｔｈ ａｎ ｆ ｃ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｒｔｏ ａ ｒｎｃｐ ｅ ｏ ｃ ａ ｉ ａ ｘ ａ ｓｏ ｏ ｔ ａ ｔ： ｅ ｍ ｉ ｕｎ ｔｏ ｎ ｐｅ ａｉｎ ｌｐ ｉ ｉｌ ｆｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｅ ｐ ｎ ｉｎ ｆｒＳＡＷ Ｌ ｉ ｅ ｗｅ ｅ ｉ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂｒｅ－ ｐ ｐ ｒ ｎｔｏ ｕ ｅ ｉｆ ｌ ａ ｄ ｔｅ ｅ ｆｃ ｆｓ ｍｅｆ ｃｏ ｓｏ ｃ ａ ｃ ｌｅ ｐ ｎ ｉ ｎ ｑ ｌｔ ｒＳＡＷ Ｌ ｉ ｓａ ａｙ ｅ ｙ， ｎ ｈ ｆｅ ｔｏ ｏ ａ ｔｒ ｎ ｍｅ ｈ ｎｉａ ｘ ａ ｓｏ ｕａｉｙｆ ｏ ｐｐｅｗａ ｎ ｌｚ ｄ，ｓ ｈ ａ ｘ ｎｓｏ ａ— ｕｃ ｓｅ ｐａ ｉｎ ｒ ｔｏ， ｘａ ａ ｔ ｕｍｂ ｒｏ ａ — ｈ ｐ ｄ ｂｏ ｋ，ｈ ｒｃｉｎ ａ ｄ ｌ ｂ ｉ ａｉｎ ｂ ｔ ｅ ｎ—ｈ ｐ ｄ ｂｏ ｋ ａ ｄ ｉ ｎ ｒｗａｌｏ ｉ ａ ｉｌｌ ｐ，ｈｅ ｎ ｅ ｆ ｎ ｓ ａ ｅ ｌｃ ｔ ｅ ｆｉｔｏ ｎ ｕ ｒｃ ｔ ｅｗｅ ｎ ｆ ｓ ａ ｅ ｌｃ ｎ ｎ ｅ ｌ ｆ ｆ ｏ ａ
大口径直缝焊接钢管管端直径超差的处理方法
大口径直缝焊接钢管管端直径超差的处理方法针对大口径焊接钢管扩径后出现的管端直径超差偏大问题，介绍了直缝焊管管端缩径专用模具的设计和使用。
1 前言为了方便管线施工现场的钢管管端对口组焊，直缝焊接钢管的管端直径尺寸公差一般比管体要求更加严格。
大口径直缝焊接钢管的生产过程要经过机械或水压扩径等生产工序来保证尺寸精度和消除内应力，由于钢板机械性能的波动，对回弹等因素的影响估计不准确，常常会出现管端直径超差的问题。
尤其对水压扩径来说，管端扩径的封头圈直径选择不合适造成的。
生产过程中如果没有及时发现，就会造成一批钢管的管端直径超差偏大。
管端直径偏小的钢管可以对管端实施二次扩径以满足尺寸要求，而对于管端直径超差偏大的钢管则采取切除管端的办法来处理。
但是在海底管线钢管的生产中，钢管长度要求往往非常苛刻管端切除的钢管经常因达不到交货长度而造成批量钢管无法交货；此外对于大口径厚壁钢管，超差批量大时，管端切除的部分管段也降低了交货结算重量，严重影响企业的经济效益。
因此需要探索采用压力加工缩径来修复管端直径超差偏大的钢管。
2 修复模具的设计2.1 缩径位置的选择直缝埋弧焊管的生产流程通常为：钢板UT检验→板边加工→预弯→钢管成形→预焊→内焊→外焊→无损检验→扩径→整圆→无损检验→最终检验→印标。
考虑到压力加工需要压力机，而除了钢管成形用压力机外（从工艺流程来说不适合用于修复管端），通常整个制管工艺流程中只有整圆工位有压力机，可以考虑在整圆工位修复管端。
因此管端扩径后如果检查发现管端，直径超差，为了不影响正常生产，钢管做标记后继续按照工艺流程前进，至整圆工位再处理。
因为管端直径超差偏大的量一般较小，可以考虑制作专用缩径模具，通过压力加工来恢复直径尺寸。
压力机选用整圆用的油压机。
对于水压扩径来说，管端超差偏大部分集中在管端100mm范围内。
模具分别如图1、图2所示，图中没有画出安装用的筋板和螺孔。
设计时主要是确定图1和图2中的尺寸R和模具宽度B。
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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]
P
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2πLδσs