U型管推彎彎管反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)难芯?/h1>
2015-12-28 12:03:48王志健
鋼管 2015年6期
王志健，王 奎
（常州常寶精特能源管材有限公司，江蘇 常州 213200）
超（超）臨界火電機(jī)組的參數(shù)決定著火力發(fā)電機(jī)組的效率，參數(shù)越高，機(jī)組效率越高。高機(jī)組參數(shù)不僅可以節(jié)約大量的一次能源，還可以大量減少SOx、NOx、CO2的排放，減少污染［1-6］。然而，隨著火力發(fā)電機(jī)組參數(shù)的提高，高加換熱器的體積越來(lái)越大，每臺(tái)換熱器所用的高壓給水加熱器用U型管（簡(jiǎn)稱(chēng)U型管）數(shù)量也越來(lái)越多，受制于高壓給水加熱器體積和成本的要求，U型管在組裝過(guò)程中的密集程度也越來(lái)越高［7］。在提高密集程度之后，同時(shí)要保證在安裝和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中U型管不接觸，這樣就提高了對(duì)彎管彎曲半徑的要求［8］。
國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的彎管方式是采用與待彎制的U型管彎曲半徑大小一致的彎管模具來(lái)控制每一個(gè)U型管彎曲半徑的精度。這樣的解決方案，就是需要針對(duì)所有的彎曲半徑，包括不同直徑的鋼管逐一選擇彎管模具，成本較高，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要不斷地更換模具，生產(chǎn)效率較低。經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試研究，常州常寶精特能源管材有限公司成功開(kāi)發(fā)了U型管推彎彎管反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。本文主要介紹該反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。
1 推彎彎管的設(shè)計(jì)
U型管的各種技術(shù)要求高，尤其在高參數(shù)的高加換熱器中，數(shù)量較多，安裝密集，對(duì)彎曲半徑的尺寸要求較高，需要避免在密集的U型管安裝過(guò)程中，由于彎曲半徑的偏差導(dǎo)致相鄰U型管的意外接觸，造成運(yùn)行過(guò)程中因局部過(guò)熱而發(fā)生損壞［9］。傳統(tǒng)的模彎需要按照U型管的管徑及每一個(gè)彎曲半徑制作一個(gè)彎管模具［10］，其生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低；同時(shí)，模彎大大增加了彎管模具對(duì)鋼管造成的擦傷、壓痕等損傷風(fēng)險(xiǎn)。而采用推彎的方式，則很好地避免了上述問(wèn)題。
通過(guò)推彎生產(chǎn)的U型管，由于彎曲半徑中心線是很難測(cè)量的位置，所以采用間接測(cè)量，用U型管彎曲半徑減去鋼管直徑的1/2做成半圓靠模，利用塞尺測(cè)量彎管內(nèi)側(cè)與固定半圓靠模之間的縫隙測(cè)量U型管彎曲半徑的實(shí)際偏差值。ASME SA 556/SA 556M—2007《給水加熱器用無(wú)縫冷拔碳鋼管》標(biāo)準(zhǔn)第9.6條規(guī)定：“U型管彎曲部分的曲率應(yīng)基本均勻，且不超過(guò)中心線公稱(chēng)彎曲半徑的±1.5 mm”［11］。Φ16 mm×2 mm 直管采用推彎方式彎制不同彎曲半徑U型管時(shí)，實(shí)測(cè)彎曲半徑45°、90°、135°位置的彎曲半徑偏差值，其具體結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同彎曲半徑U型管的彎曲曲率偏差值mm
從表1可以看出：在彎管終了部分，由于鋼管反彈導(dǎo)致該處的彎曲曲率偏差較大。如果在彎曲的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)整個(gè)推彎過(guò)程中不同的反彈位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，即通過(guò)一個(gè)在線監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)出通過(guò)推彎壓輪過(guò)后鋼管反彈的角度變化來(lái)調(diào)整壓輪的位置（由彎管機(jī)電腦控制位移即可），從而實(shí)時(shí)調(diào)整推彎的彎曲曲率。
2 推彎反彈分析及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
2.1 推彎反彈分析
傳統(tǒng)模彎模式采用固定彎曲半徑的模具，該模具的尺寸為彎曲半徑減去鋼管直徑的1/2做成，理論上是彎制成U型管之后，不存在彎曲半徑小于名義彎曲半徑的情況，反彈也相對(duì)較小。但這種彎管模式的成本高（每個(gè)不同彎曲半徑均需要制作一個(gè)特定規(guī)格的模具），效率低（不同彎曲半徑生產(chǎn)時(shí)，需要更換彎管模具）。而推彎模式的優(yōu)點(diǎn)是：一套模具通過(guò)程序調(diào)整控制，可彎制一系列彎曲半徑的彎管，避免了傳統(tǒng)模彎模式需要不停更換模具的缺點(diǎn)。
采用推彎，即采用一組滾輪推送鋼管，不在同一直線上的兩個(gè)壓輪，其中一個(gè)按照與推送滾輪之間的夾角，在空間形成一個(gè)半圓弧，另外一個(gè)壓輪由彎管機(jī)程序控制按彎曲半徑的弧線向前推進(jìn)，即成U型，推彎彎管反彈點(diǎn)（A點(diǎn)）如圖1所示。
圖1 推彎彎管反彈點(diǎn)（A點(diǎn)）示意
2.2 推彎反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
在推彎時(shí)，根據(jù)反彈情況進(jìn)行補(bǔ)償。即采用一個(gè)繞推彎主推輪軸的檢測(cè)輪，其工作時(shí)通過(guò)彈簧、氣缸或其他裝置輕靠在被主推輪推彎的管子上，檢測(cè)彎管在出推彎輪后呈反彈狀態(tài)的角度；將檢測(cè)結(jié)果與合格U型管角度比較，求出差值反饋給控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)計(jì)算出主推輪推進(jìn)量補(bǔ)償值，由伺服電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)主推輪推進(jìn)量作補(bǔ)償操作，修正U型管彎管的曲率，從而達(dá)到提高U型管彎管彎曲半徑精度的目的。
動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中檢測(cè)靠輪實(shí)時(shí)檢測(cè)U型管的反彈距離，并將檢測(cè)反彈的距離實(shí)時(shí)地傳輸給編碼器，通過(guò)編碼器反饋給彎管機(jī)調(diào)整主推輪推進(jìn)量進(jìn)行推彎角度的調(diào)整。
圖2中的編碼器采用光電或其他感應(yīng)器檢測(cè)反彈參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的對(duì)比、計(jì)算，并將主推輪的推進(jìn)修改參數(shù)送驅(qū)動(dòng)設(shè)備，微調(diào)主推輪的推進(jìn)量。感應(yīng)檢測(cè)器位置如圖3所示。在實(shí)際推彎彎管過(guò)程中，彎曲半徑變化與檢測(cè)出的角度變化的關(guān)系如圖4所示。
圖2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意
圖3 感應(yīng)檢測(cè)器位置
圖4 彎曲半徑變化與檢測(cè)出的角度變化的關(guān)系示意
圖3中的感應(yīng)檢測(cè)器可實(shí)時(shí)檢測(cè)推彎輪是否調(diào)整到位，通過(guò)檢測(cè)此時(shí)的直管推送方向與主推輪之間的角度是否能滿足圖4中角度與彎曲半徑之間關(guān)系［12］，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給圖2中的編碼器，與檢測(cè)靠輪的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)［13-14］；若補(bǔ)償?shù)轿?，則終止補(bǔ)償調(diào)整；若未能補(bǔ)償?shù)轿?，則繼續(xù)調(diào)整。
2.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后的彎曲半徑情況
經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，優(yōu)化了推彎彎管的工藝參數(shù)，研究了彎曲反彈以及在彎管過(guò)程中彎曲半徑的變化與傳感器檢測(cè)出的角度變化，編碼器調(diào)整主推動(dòng)輪和壓輪。實(shí)時(shí)調(diào)整彎曲半徑。實(shí)現(xiàn)推彎過(guò)程邏輯如圖5所示。
通過(guò)推彎加反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后生產(chǎn)的U型管，采用前述的測(cè)量方式，對(duì)Φ16 mm×2 mm直管彎制不同彎曲半徑的U型管時(shí)，實(shí)測(cè)彎曲半徑45°、90°、135°位置的彎曲半徑，其具體結(jié)果偏差值見(jiàn)表2。
3 結(jié) 論
與現(xiàn)有技術(shù)相比，增加反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч牵簩?duì)推彎后的反彈數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采樣，參照試彎的合格產(chǎn)品的反彈參數(shù)，計(jì)算出主推彎輪的推彎補(bǔ)償值，并對(duì)主推彎輪的推進(jìn)量作動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以修正由于原料管材物理性能的細(xì)微差異造成的推彎U型管彎曲半徑的超標(biāo)偏差，提高了U型管的彎管質(zhì)量。
表2 采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后不同彎曲半徑U型管的彎曲曲率偏差值mm
［1］嚴(yán)宏強(qiáng)，程鈞培.發(fā)展中的中國(guó)火力發(fā)電裝備［J］.發(fā)電設(shè)備，2008（1）：1-6.
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［3］趙毓.超超臨界機(jī)組在我國(guó)發(fā)展的必要性與可行性［J］.鍋爐制造，2005（4）：75-76.
［4］張靜媛，劉明福.關(guān)于超臨界超超臨界發(fā)電機(jī)組的發(fā)展［J］.山西科技，2006（4）：7-8.
［5］劉堂禮.超臨界和超超臨界技術(shù)及其發(fā)展［J］.廣東電力，2007，20（1）：19-22.
［6］唐飛，董斌，趙敏.超超臨界機(jī)組在我國(guó)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2010（1）：80-82.
［7］胡筱濤.火力發(fā)電超超臨界機(jī)組用四大管道系統(tǒng)的供應(yīng)情況［J］.鋼管，2013，42（5）：15-19.
［8］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 151—2014換交熱器［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.
［9］胡勇，王呈方.彎管工藝中回彈、伸長(zhǎng)和成形半徑的確定方法［J］.鍛壓機(jī)械，1997（1）：35-37.
［10］孟靜，趙新愛(ài)，吳勝敏，等.U型換熱管的彎制工藝研究［J］.化工裝備技術(shù)，2010，31（2）：37-39.
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［12］馬愛(ài)梅，鹿曉陽(yáng)，孫勝.彎管應(yīng)力分析及機(jī)構(gòu)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（3）：98-100.
［13］廖勇剛，余心宏，孫現(xiàn)龍.塑性變形理論在小半徑彎管中的應(yīng)用［J］.鍛壓技術(shù)，2006（4）：115-118.
［14］章吉勇，周勇.微傳感器：原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2006：38-43.
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王志健，王 奎
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超（超）臨界火電機(jī)組的參數(shù)決定著火力發(fā)電機(jī)組的效率，參數(shù)越高，機(jī)組效率越高。高機(jī)組參數(shù)不僅可以節(jié)約大量的一次能源，還可以大量減少SOx、NOx、CO2的排放，減少污染［1-6］。然而，隨著火力發(fā)電機(jī)組參數(shù)的提高，高加換熱器的體積越來(lái)越大，每臺(tái)換熱器所用的高壓給水加熱器用U型管（簡(jiǎn)稱(chēng)U型管）數(shù)量也越來(lái)越多，受制于高壓給水加熱器體積和成本的要求，U型管在組裝過(guò)程中的密集程度也越來(lái)越高［7］。在提高密集程度之后，同時(shí)要保證在安裝和實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中U型管不接觸，這樣就提高了對(duì)彎管彎曲半徑的要求［8］。
國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的彎管方式是采用與待彎制的U型管彎曲半徑大小一致的彎管模具來(lái)控制每一個(gè)U型管彎曲半徑的精度。這樣的解決方案，就是需要針對(duì)所有的彎曲半徑，包括不同直徑的鋼管逐一選擇彎管模具，成本較高，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要不斷地更換模具，生產(chǎn)效率較低。經(jīng)過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試研究，常州常寶精特能源管材有限公司成功開(kāi)發(fā)了U型管推彎彎管反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。本文主要介紹該反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)。
1 推彎彎管的設(shè)計(jì)
U型管的各種技術(shù)要求高，尤其在高參數(shù)的高加換熱器中，數(shù)量較多，安裝密集，對(duì)彎曲半徑的尺寸要求較高，需要避免在密集的U型管安裝過(guò)程中，由于彎曲半徑的偏差導(dǎo)致相鄰U型管的意外接觸，造成運(yùn)行過(guò)程中因局部過(guò)熱而發(fā)生損壞［9］。傳統(tǒng)的模彎需要按照U型管的管徑及每一個(gè)彎曲半徑制作一個(gè)彎管模具［10］，其生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率較低；同時(shí)，模彎大大增加了彎管模具對(duì)鋼管造成的擦傷、壓痕等損傷風(fēng)險(xiǎn)。而采用推彎的方式，則很好地避免了上述問(wèn)題。
通過(guò)推彎生產(chǎn)的U型管，由于彎曲半徑中心線是很難測(cè)量的位置，所以采用間接測(cè)量，用U型管彎曲半徑減去鋼管直徑的1/2做成半圓靠模，利用塞尺測(cè)量彎管內(nèi)側(cè)與固定半圓靠模之間的縫隙測(cè)量U型管彎曲半徑的實(shí)際偏差值。ASME SA 556/SA 556M—2007《給水加熱器用無(wú)縫冷拔碳鋼管》標(biāo)準(zhǔn)第9.6條規(guī)定：“U型管彎曲部分的曲率應(yīng)基本均勻，且不超過(guò)中心線公稱(chēng)彎曲半徑的±1.5 mm”［11］。Φ16 mm×2 mm 直管采用推彎方式彎制不同彎曲半徑U型管時(shí)，實(shí)測(cè)彎曲半徑45°、90°、135°位置的彎曲半徑偏差值，其具體結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同彎曲半徑U型管的彎曲曲率偏差值mm
從表1可以看出：在彎管終了部分，由于鋼管反彈導(dǎo)致該處的彎曲曲率偏差較大。如果在彎曲的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)整個(gè)推彎過(guò)程中不同的反彈位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，即通過(guò)一個(gè)在線監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)出通過(guò)推彎壓輪過(guò)后鋼管反彈的角度變化來(lái)調(diào)整壓輪的位置（由彎管機(jī)電腦控制位移即可），從而實(shí)時(shí)調(diào)整推彎的彎曲曲率。
2 推彎反彈分析及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
2.1 推彎反彈分析
傳統(tǒng)模彎模式采用固定彎曲半徑的模具，該模具的尺寸為彎曲半徑減去鋼管直徑的1/2做成，理論上是彎制成U型管之后，不存在彎曲半徑小于名義彎曲半徑的情況，反彈也相對(duì)較小。但這種彎管模式的成本高（每個(gè)不同彎曲半徑均需要制作一個(gè)特定規(guī)格的模具），效率低（不同彎曲半徑生產(chǎn)時(shí)，需要更換彎管模具）。而推彎模式的優(yōu)點(diǎn)是：一套模具通過(guò)程序調(diào)整控制，可彎制一系列彎曲半徑的彎管，避免了傳統(tǒng)模彎模式需要不停更換模具的缺點(diǎn)。
采用推彎，即采用一組滾輪推送鋼管，不在同一直線上的兩個(gè)壓輪，其中一個(gè)按照與推送滾輪之間的夾角，在空間形成一個(gè)半圓弧，另外一個(gè)壓輪由彎管機(jī)程序控制按彎曲半徑的弧線向前推進(jìn)，即成U型，推彎彎管反彈點(diǎn)（A點(diǎn)）如圖1所示。
圖1 推彎彎管反彈點(diǎn)（A點(diǎn)）示意
2.2 推彎反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)
在推彎時(shí)，根據(jù)反彈情況進(jìn)行補(bǔ)償。即采用一個(gè)繞推彎主推輪軸的檢測(cè)輪，其工作時(shí)通過(guò)彈簧、氣缸或其他裝置輕靠在被主推輪推彎的管子上，檢測(cè)彎管在出推彎輪后呈反彈狀態(tài)的角度；將檢測(cè)結(jié)果與合格U型管角度比較，求出差值反饋給控制系統(tǒng)，并由控制系統(tǒng)計(jì)算出主推輪推進(jìn)量補(bǔ)償值，由伺服電機(jī)或液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)主推輪推進(jìn)量作補(bǔ)償操作，修正U型管彎管的曲率，從而達(dá)到提高U型管彎管彎曲半徑精度的目的。
動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中檢測(cè)靠輪實(shí)時(shí)檢測(cè)U型管的反彈距離，并將檢測(cè)反彈的距離實(shí)時(shí)地傳輸給編碼器，通過(guò)編碼器反饋給彎管機(jī)調(diào)整主推輪推進(jìn)量進(jìn)行推彎角度的調(diào)整。
圖2中的編碼器采用光電或其他感應(yīng)器檢測(cè)反彈參數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的對(duì)比、計(jì)算，并將主推輪的推進(jìn)修改參數(shù)送驅(qū)動(dòng)設(shè)備，微調(diào)主推輪的推進(jìn)量。感應(yīng)檢測(cè)器位置如圖3所示。在實(shí)際推彎彎管過(guò)程中，彎曲半徑變化與檢測(cè)出的角度變化的關(guān)系如圖4所示。
圖2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)示意
圖3 感應(yīng)檢測(cè)器位置
圖4 彎曲半徑變化與檢測(cè)出的角度變化的關(guān)系示意
圖3中的感應(yīng)檢測(cè)器可實(shí)時(shí)檢測(cè)推彎輪是否調(diào)整到位，通過(guò)檢測(cè)此時(shí)的直管推送方向與主推輪之間的角度是否能滿足圖4中角度與彎曲半徑之間關(guān)系［12］，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給圖2中的編碼器，與檢測(cè)靠輪的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)［13-14］；若補(bǔ)償?shù)轿?，則終止補(bǔ)償調(diào)整；若未能補(bǔ)償?shù)轿?，則繼續(xù)調(diào)整。
2.3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后的彎曲半徑情況
經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，優(yōu)化了推彎彎管的工藝參數(shù)，研究了彎曲反彈以及在彎管過(guò)程中彎曲半徑的變化與傳感器檢測(cè)出的角度變化，編碼器調(diào)整主推動(dòng)輪和壓輪。實(shí)時(shí)調(diào)整彎曲半徑。實(shí)現(xiàn)推彎過(guò)程邏輯如圖5所示。
通過(guò)推彎加反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后生產(chǎn)的U型管，采用前述的測(cè)量方式，對(duì)Φ16 mm×2 mm直管彎制不同彎曲半徑的U型管時(shí)，實(shí)測(cè)彎曲半徑45°、90°、135°位置的彎曲半徑，其具體結(jié)果偏差值見(jiàn)表2。
3 結(jié) 論
與現(xiàn)有技術(shù)相比，增加反彈動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男Ч牵簩?duì)推彎后的反彈數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采樣，參照試彎的合格產(chǎn)品的反彈參數(shù)，計(jì)算出主推彎輪的推彎補(bǔ)償值，并對(duì)主推彎輪的推進(jìn)量作動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以修正由于原料管材物理性能的細(xì)微差異造成的推彎U型管彎曲半徑的超標(biāo)偏差，提高了U型管的彎管質(zhì)量。
表2 采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后不同彎曲半徑U型管的彎曲曲率偏差值mm
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