MEER孔型設(shè)計(jì)方法在寶鋼HFW焊管成型機(jī)組的應(yīng)用

熊建輝

（寶鋼股份鋼管事業(yè)部，上海 201900）

0 前 言

寶鋼HFW610中直徑直縫焊管全套成型設(shè)備由SMS MEER公司設(shè)計(jì)并制造，整個(gè)成型段分為5個(gè)部分：彎邊、預(yù)成型、線性成型、精成型和擠壓。精成型（FinPass，以下簡(jiǎn)稱FP）機(jī)組采用世界先進(jìn)水平的URD（uniform rigidity design）均一剛性設(shè)計(jì)原理，使得鋼帶形變更為穩(wěn)定。精成型段的主要作用是將U形板帶逐步整圓，板帶經(jīng)3道次精成型之后形成開口圓管，開口度約占板寬的5%，之后板帶邊部經(jīng)高頻加熱熔化后擠壓閉合成管。

HFW焊管生產(chǎn)線共有13套軋輥，分別用于生產(chǎn)13種外徑的焊管，這些都是API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。對(duì)于一些非標(biāo)產(chǎn)品，在中東、東南亞等地同樣有很大的市場(chǎng)需求，如φ426 mm規(guī)格，此類產(chǎn)品不在寶鋼的HFW產(chǎn)品大綱內(nèi)，需要自行準(zhǔn)備相關(guān)軋輥。寶鋼從德國MEER公司引進(jìn)了全套API標(biāo)準(zhǔn)軋輥，但是并沒有引進(jìn)軋輥孔型設(shè)計(jì)技術(shù)，只能依靠自主創(chuàng)新，形成寶鋼自有的HFW焊管孔型設(shè)計(jì)技術(shù)。精成型軋輥孔型設(shè)計(jì)的基本要求是正確選擇變形區(qū)長(zhǎng)度和機(jī)架變形分配，以減少或消除邊緣產(chǎn)生的殘余變形，使管坯在孔型中穩(wěn)定成型，軋輥磨損小而且均勻，保證焊管表面質(zhì)量和幾何尺寸符合要求。

1 確定FP成型輥的孔型設(shè)計(jì)原則

板帶經(jīng)歷彎邊、預(yù)成型（含粗成型）和線性成型3部分的板坯端部非約束，進(jìn)入帶導(dǎo)向環(huán)的精成型孔型使管坯進(jìn)一步成型、規(guī)整，為擠壓焊接做好準(zhǔn)備（如圖1所示）。從圖1可以看出，變形過程中板帶的重心在向下移動(dòng)，這是一種典型的“下山（downhill）”成型法，變形阻力得以減弱。精成型的孔型變化如圖1的紅色部分。精成型共有3個(gè)道次，分別為FP1，F(xiàn)P2和FP3，如圖2所示。

圖1 HFW焊管成型輥花圖

圖2 精成型（FP）模擬圖

板卷進(jìn)入精成型之后，雖然此時(shí)板卷邊部還有焊合，但為了保證板卷不發(fā)生左右搖擺，在精成型上輥中央設(shè)計(jì)了一組導(dǎo)向片。板卷兩邊部被導(dǎo)向片隔開，同時(shí)由于孔型對(duì)板卷的收縮變形，板卷在精成型孔型內(nèi)變形非常穩(wěn)定，相當(dāng)于是在一個(gè)封閉空間內(nèi)變形，因此也將精成型稱為封閉孔型，其設(shè)計(jì)原則是：①軋輥雙半徑設(shè)計(jì)，即上下輥半徑與左右側(cè)輥半徑不同；②精成型道次均勻變形設(shè)計(jì)；③定位導(dǎo)向片設(shè)計(jì)。

2 確定FP孔型參數(shù)

2.1 孔型圓周長(zhǎng)

首先計(jì)算出焊接后的母管外徑Dw，因?yàn)閱蝹€(gè)機(jī)架的減徑量Rho是機(jī)組設(shè)定好的，成品管的外徑Df也是已知的，依據(jù)公式（1）可以算出Dw。同時(shí)，為了保證成品管充分的塑性變形，盡可能抑制回彈，有效控制成品管的尺寸，單機(jī)架Rho必須設(shè)定在可靠區(qū)域。經(jīng)碳鋼應(yīng)力應(yīng)變理論分析，確定區(qū)間范圍為0.16%≤Rho≤0.40%，經(jīng)公式（2）計(jì)算得到的Rho如果超出設(shè)計(jì)范圍，一律取臨界值，并按照公式（3）計(jì)算。

通常擠壓量取1倍壁厚T，因此精成型3#孔型圓周長(zhǎng)為Dw+T，設(shè)計(jì)每架精成型機(jī)架的縮減量為2 mm，由此可算出其他機(jī)架的孔型圓周長(zhǎng)。板卷壁厚有上下公差，通常取平均值T=（Tmax+Tmin）/2。精成型3#~1#機(jī)架的孔型圓周長(zhǎng)分別為：

2.2 導(dǎo)向片寬度Fw

為了保證帶鋼的邊部對(duì)稱，不至于出現(xiàn)帶鋼左右搖擺，即保證恒中心線變形，必須在精成型上輥的中部增設(shè)導(dǎo)向片（如圖3所示），導(dǎo)向片確保經(jīng)過3道次精成型，開口管的縱向中心始終在12點(diǎn)位置，有效避免了圖4中心扭轉(zhuǎn)的發(fā)生。精成型導(dǎo)向片除了起到中心定位的作用之外，還和擠壓輥共同形成V形三角區(qū)，穩(wěn)定的開口角提供了必要的焊接條件，有助于提高焊接質(zhì)量。

圖3 導(dǎo)向片定位作用示意圖

圖4 開口管中心扭轉(zhuǎn)示意圖

V角θV設(shè)計(jì)：通常實(shí)際測(cè)量的焊接θV大于3°，多數(shù)為3°~4°，因金屬材料在變形過程彈塑性共存，實(shí)測(cè)的θV是彈性形變之后的，若不考慮回彈（springback）， 理論 θV為 0.8°~2.3°， 隨著成品管外徑Df的增大而增大，二者成線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系為

焊接θV示意如圖5所示。θV已知，擠壓點(diǎn)到精成型3#導(dǎo)向片中心的距離L=2 450 mm，利用三角函數(shù)關(guān)系，通過公式（8）可以算出精成型3#的導(dǎo)向片寬度Fw3，繼而可以算出Fw2和Fw1。

圖5 焊接θV示意圖

值得注意的是，為了便于精成型上輥導(dǎo)向片的安裝，當(dāng)導(dǎo)向片寬度大于100 mm時(shí)，應(yīng)拆成兩半組裝起來（當(dāng)磨損后可以換面再使用），以減輕導(dǎo)向片的質(zhì)量。

2.3 孔型半徑

根據(jù)圖1的精成型輥花要求，對(duì)3道次精成型輥設(shè)定不同的橢圓度，以達(dá)到均勻變形的目的。

FP1橢圓度a1=18%，雙半徑設(shè)計(jì)（上下輥半徑Rt，側(cè)輥半徑Ro）；FP2橢圓度a2=9%，雙半徑設(shè)計(jì)（上下輥半徑Rt，側(cè)輥半徑Ro）；FP3橢圓度a3=0，單一半徑設(shè)計(jì)。其中，橢圓度a=（Rmax－Rmin）/Rw。

式中：CFPi—第i架精成型孔型圓周長(zhǎng)；

θi—第i架精成型導(dǎo)向片對(duì)應(yīng)弧度（見圖3）。

2.4 輥縫

由于焊管在變形過程中軋輥是運(yùn)轉(zhuǎn)的，為避免軋輥碰觸，4個(gè)軋輥必須有一定的間隙，4輥中心處于同一點(diǎn)時(shí)，相鄰軋輥的間隙即稱為輥縫。上下輥圓弧面跨度（接觸角）120°~130°，側(cè)輥圓弧面跨度（接觸角）50°~60°。

為便于軋輥的批量加工，將所有精成型輥（上下輥及側(cè)輥）的圓弧面跨度固定，即上下輥圓弧面跨度為120°，側(cè)輥圓弧面跨度為60°，輥縫加工為6 mm，如圖6所示。

圖6 輥縫示意圖

3 精成型軋輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軋輥的孔型半徑和圓弧跨度已經(jīng)確定，為確保軋輥能夠順利加工，還必須確定軋輥的底徑（root diameter）。圖7為FP機(jī)架剖面圖，從圖7可以看出，當(dāng)精成型4輥均處于工作位，組成圓形封閉孔型時(shí)，軋輥底徑與精成型輥的軸承箱組成關(guān)系函數(shù)，可通過列方程求解，即

式中：Droot—軋輥底徑；

B—精成型上輥軸承箱厚度；

H—側(cè)輥軸承箱高度；

圖7 精成型（FP）機(jī)架剖面圖

CHb—孔型半徑，即軋制中心線至孔型底點(diǎn)的距離（與鋼管成品外徑相關(guān)）；

S—上輥軸承箱與側(cè)輥軸承箱的間隙。

考慮到軋輥?zhàn)呶贿^程可能出現(xiàn)的軋輥箱體觸碰，S必須大于30 mm，乘1.5的安全系數(shù)，通常 S=45 mm，B=212 mm，H=425 mm/680 mm（分大小箱體）。同時(shí)，為了便于精成型孔型校準(zhǔn)，制定統(tǒng)一的校準(zhǔn)公式，將各機(jī)架的精成型輥的底徑設(shè)計(jì)成同一數(shù)值?？紤]到焊管的形狀，并減少劃傷，在設(shè)計(jì)軋輥的孔型時(shí)應(yīng)將其邊部進(jìn)行切角[2]，本機(jī)組采用5°倒角。

對(duì)于φ219.1~φ339.7 mm 鋼管，

對(duì)于φ355.6~φ609.6 mm鋼管，

4 結(jié) 論

（1）通過研究產(chǎn)品大綱中的13套軋輥孔型參數(shù)，找出了孔型變化規(guī)律，形成了寶鋼自有的HFW焊管孔型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，能夠自行設(shè)計(jì)成型設(shè)備制造范圍內(nèi)的任一外徑的產(chǎn)品（φ219~φ610 mm）。

（2）從孔型圓周長(zhǎng)、導(dǎo)向片寬度、孔型半徑、輥縫及軋輥底徑等5個(gè)方面標(biāo)準(zhǔn)化孔型設(shè)計(jì)方法，得出一系列計(jì)算公式，方便算出孔型參數(shù)，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

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