鋼管整徑矯直機模具的優(yōu)化設計

姚 華，李翠艷，邊 城，王慶雷

（1.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣 062658；

2.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；

3.渤海裝備輸送裝備部，河北 青縣062658）

鋼管整徑矯直機模具的優(yōu)化設計

姚 華1，李翠艷1，邊 城2，王慶雷3

（1.渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣 062658；

2.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣062658；

3.渤海裝備輸送裝備部，河北 青縣062658）

探討了當前鋼管整徑矯直技術的現狀和存在的問題，并對鋼管整徑矯直工藝進行了介紹，結合鋼管整徑矯直工藝和設備特點對鋼管整徑矯直機模具進行了優(yōu)化設計。研究結果表明，對于管徑不大于762 mm的鋼管，整徑矯直效果良好，滿足標準要求；對于管徑大于762 mm的鋼管，矯直過程中容易出現管壁壓扁的問題，該問題還將繼續(xù)進行深入研究。

鋼管；整徑；矯直；模具；優(yōu)化設計

1 鋼管整徑矯直技術現狀及問題

目前，國內外的直縫埋弧焊管管線工程主要分為兩大類，一類是高鋼級、大壁厚和大直徑，適用于大型油氣輸送管線工程[1]；另一類是低材質、薄壁和小直徑，適用于輸送壓力較低的小型管線。這兩種類型管線項目所使用的鋼管在成型工藝設計、實際制造方法上是完全不同的。

由于板材原材料市場的制約，國內鋼管廠要從不同鋼廠購買所需鋼板。由于各大鋼廠的鋼板性能成分不同，加之鋼管在成型過程中情況復雜多變，各種不確定因素使得鋼管廠在更換產品規(guī)格時，不得不反復調整鋼管成型工藝，但還是無法完全滿足多種規(guī)格鋼管的幾何尺寸要求，導致部分鋼管產品外形尺寸超標[2-8]。目前，國內鋼管的整徑矯直技術主要應用于3種情況，如圖1所示。

圖1 需要整徑矯直的鋼管類型

由于大部分直縫埋弧焊鋼管的強度較高、壁厚較大，當采用千斤頂等措施進行鋼管不圓度修正時，效果較差而且不安全。因此，大部分鋼管產品只能做降級降廢處理，對管廠造成不必要的經濟損失。為有效降低鋼管因噘嘴、不圓度或直度超標給企業(yè)造成的經濟損失，開展鋼管整徑矯直技術研究非常必要。

2 鋼管整徑矯直工藝介紹

鋼管整徑矯直機集整徑、矯直兩種功能于一體，可對鋼管不圓度及直度進行精確調整，使之符合標準[9-10]要求。

2.1 鋼管整徑工藝

鋼管整徑工藝主要采用上模具固定，下模具上壓的方式進行。在整徑模具曲率和鋼管規(guī)格（包括鋼管外徑、壁厚和鋼級）確定的情況下，鋼管整徑后與整徑前不圓度的大小與整徑上下模具整徑時的壓下高度有很大關系。因此，在鋼管整徑前，應首先測量鋼管的最大不圓度，確定最大不圓度在鋼管圓周方向的具體位置，然后將鋼管旋轉到最大直徑處于垂直位置時，再確定下模具上壓的距離。整徑過程一般采用分步上壓方法，邊上壓邊停下來測量，對于X65鋼級φ611 mm鋼管，上壓的距離為不圓度值的1~2倍。隨著鋼級的升高，管徑加大，上壓距離明顯增大，最大時可達到不圓度的 8倍。圖2為 X65鋼級φ611 mm×11 mm鋼管整徑示意圖，圖3為鋼管直徑與整徑前不圓度關系圖。

2.2 鋼管矯直工藝

圖2 鋼管整徑示意圖

圖3 鋼管直徑與整徑前不圓度關系圖

鋼管矯直工藝采用三點彎曲矯直方式。首先要測量鋼管的最大直度，確定最大直度在鋼管圓周的具體位置，然后確定模具矯直下壓次數、下壓量和矯直支座間距。對于直度超標較小的鋼管，可采用相對較少的矯直步數進行矯直，矯直步數越多，矯直效果越好。為避免鋼管矯直時發(fā)生變形，應盡可能采用較大的矯直支座間距；同一位置的矯直一般分為2次到3次進行，且保壓時間不少于10 s。

表1為X65鋼級φ762 mm×28.6 mm試驗數據，標準[9-10]要求直度≤24 mm。從表 1可以看出，需要5次矯直后鋼管直度才能達到理想狀態(tài)。

表1 X65鋼級φ762 mm×28.6 mm鋼管矯直后參數

3 鋼管整徑模具優(yōu)化設計

3.1 模具內徑等于鋼管外徑

早期設計的整徑矯直機模具如圖4所示，上下模具的內表面直徑φ等于要矯直鋼管的外徑。

圖4 鋼管整徑模具示意圖

在整徑過程中發(fā)現，上模具下壓過程中，模具內壁與鋼管表面接觸的部分局部變形較大，鋼管沿著上下模具之間的開口部分往外凸，內模具的邊緣部分過渡段倒角半徑太小，在鋼管表面形成了壓痕，如圖5所示。試驗表明，該種模具整徑效果不理想，試驗用的鋼管經車間成品崗位檢驗后為不合格。

圖5 鋼管整徑前后變化示意圖

表2為φ813 mm×15.9 mm鋼管整徑試驗數據。標準[9-10]要求管端不圓度≤5 mm。從表2中可看出，整徑后管端不圓度不達標。

表2 φ813 mm×15.9 mm鋼管整徑前后圓度對比

3.2 模具內徑大于鋼管外徑

為改善前期模具設計缺陷，避免鋼管整徑時被壓凸，又重新優(yōu)化設計了新的整徑模具，該模具內徑φ大于鋼管外徑（h＜鋼管外徑/2），新模具設計如圖6所示。該設計減小了模具高度，模具高度較整徑鋼管半徑減小150 mm；考慮到加工的可操作性和便捷性，圓弧曲率沒有采用變曲線，而是采用上下模具的內表面外徑較整徑鋼管的外徑減小60~100 mm的方案；同時，改進模具半徑以及邊角平滑過渡。利用該模具進行反復試驗，成功完成了管徑不大于762 mm的鋼管整徑試驗，整徑效果良好。

圖6 優(yōu)化后的鋼管整徑模具示意圖

表3為X70鋼級φ610 mm×11 mm鋼管整徑前后試驗數據對比，標準[9-10]要求管端不圓度≤4 mm。從表3可看出，整徑后鋼管不圓度全部達標。

表3 鋼管整徑前后圓度對比表

4 鋼管矯直模具優(yōu)化設計方案

（1）方案一：模具內徑φ=鋼管外徑+V形支撐。

前期設計的整徑矯直機模具如圖7所示，上下模具的內表面外徑等于要矯直鋼管的外徑，鋼管支撐為V形支撐，表面材質為聚氨酯。在矯直的過程中發(fā)現，V形支撐的聚氨酯被壓變形，鋼管兩端與V形支撐接觸的部分壓扁導致不圓度超標，鋼管與上模具內壁接觸的部分局部變形較大，形成“塌腰”，模具的邊緣部分由于過渡段倒角半徑太小，在鋼管表面形成了壓痕。雖然鋼管的整體直度勉強達標，但是試驗用鋼管管端不圓度檢驗不合格，管體不圓度數據變大惡化。表4為X80鋼級φ1 016mm×18.4mm鋼管試驗數據，標準[3-4]要求管端不圓度≤6mm。

圖7 整徑矯直模具示意圖

表4 X80鋼級φ1 016 mm×18.4 mm鋼管試驗數據

（2）方案二：模具內徑φ＞鋼管外徑+圓弧形支撐。

由于前面的方案造成的管端塌陷，基于此原因進行分析，決定對上下模具進行改進，加大模具直徑，使模具內徑大于鋼管外徑，并且將原來的V形支撐改為圓弧形支撐，支撐上覆蓋聚氨酯，改進后的模型如圖8所示。試驗結果表明，圓弧形支撐無壓塌、壓癟現象，已經成功完成了管徑不大于 762 mm的鋼管整徑試驗，效果良好。但是，對于管徑大于914mm的鋼管，由于管徑較大，鋼管剛性不足，矯直效果不理想。

圖8 改進后的整徑矯直模具示意圖

表5為X65鋼級φ762 mm×28.6 mm鋼管試驗數據，標準要求管端不圓度≤3.5 mm。表6為X80鋼級φ1 016mm×18.4mm鋼管矯直試驗數據，標準要求管端不圓度≤6mm。

表5 X65鋼級φ762 mm×28.6 mm鋼管矯直前后對比

表6 X80鋼級φ1 016mm×18.4mm鋼管矯直前后對比

（3）方案三：模具內徑φ＞鋼管外徑+圓弧形支撐+圓弧墊板。

為改善直徑大于914 mm規(guī)格鋼管矯直效果，克服管體被壓癟的問題，在不改變原有模具的基礎上，在上模具增加了圓弧墊板，其目的是為了彌補上模具與鋼管在長度方向接觸面積較少的不足。通過加大圓弧墊板的長度增大鋼管在矯直過程中的受力面積，減小鋼管變形，模具示意圖和現場照片分別如圖9和圖10所示。試驗結果表明，試驗鋼管管端不圓度仍超標，但是較之前有了很大的提高，以后需要繼續(xù)進行研究。

圖9 增加圓弧墊板后的整徑矯直模具示意圖

圖10 圓弧墊板

表7為X80鋼級φ1 016 mm×18.4 mm鋼管矯直試驗數據，標準要求管端不圓度≤6 mm。

表7 X80鋼級φ1 016 mm×18.4 mm鋼管矯直前后對比

5 結 論

（1） 研究了鋼管整徑矯直技術，對整徑矯直機模具進行了優(yōu)化，對于管徑≤762 mm的鋼管，能夠完成直度和不圓度超標鋼管的矯正。

（2）對于管徑＞762 mm的鋼管，矯直過程中容易將管壁壓扁，試驗效果不理想，以后將繼續(xù)對該技術進行研究。

［1］李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應用中的幾個熱點問題[J].中國機械工程，2001（3）:1-5.

［2］王青斌，岳金成，何應東.鋼管整徑矯直機的研制[J].機械研究與應用，2009（5）:1-2.

［3］李飛.三點成型鋼管矯直技術的改進[J].科技視界，2001（3）:101-102.

［4］方劍輝，王占軍.基于有限元仿真的鋼管壓力矯直方案設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2014（2）:65-66.

［5］賈金鳳.矯直機調整工藝分析[J].科技創(chuàng)新與生產力，2013（6）:83.

［6］張立.鋼管矯直技術[J].鋼管，2012（5）:65-66.

［7］王元蓀.一種無縫鋼管用矯直機[J].鋼管，2015（2）: 73.

［8］方劍輝，王占軍.基于有限元仿真的鋼管壓力矯直方案設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2014（2）:65-66.

［9］API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范（第45版）[S].

［10］CDP-S-NGP-PL-006—2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術條件[S].

Optimized Design of the Mould for Steel Pipe Reshaping&Straightening Machine

YAO Hua1,LI Cuiyan1，BIAN Cheng2，WANG Qinglei3
(1.CNPC Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China;
2.CNPC Bohai Equipment Research Institute Transmission Equipment Branch,Qingxian 062658,Hebei,China;
3.CNPC Bohai Equipment Transmission Equipment Branch,Qingxian 062658,Hebei,China)

In this article,it explored the current status and existing problems of reshaping&straightening technology for steel pipe.Combined with reshaping&straightening technology and equipment characteristics,the optimized design was carried out on the mould of steel pipe reshaping&straightening machine,it realized the objective of reshaping&straightening for the steel pipe which pipe diameter is not more than φ762 mm.For the steel pipe with diameter more than φ762 mm,during straightening process,the pipe wall is easily flattened,so the reshaping&straightening technology for straightness exceeding standard will be continuously researched.

steel pipe;reshaping;straightening;mould;optimized design

TG333.2+3

B

1001－3938（2015）08-0046-05

姚 華（1976—）,男,工程師,主要從事焊管生產和研發(fā)工作。

2014-12-11

羅 剛