無縫鋼管壁厚偏心率的測量分析及降低方法

漢斯·約阿希姆·佩勒

（德國德華公司，德國門興格拉德巴赫41068）

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無縫鋼管壁厚偏心率的測量分析及降低方法

漢斯·約阿希姆·佩勒

（德國德華公司，德國門興格拉德巴赫41068）

摘要：運用模型對無縫鋼管壁厚偏心率的形成及構(gòu)成進行分析；闡述了一種降低偏心率誤差的方法——穿孔時偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)，并將該方法用于監(jiān)測生產(chǎn)過程。分析認為：無縫鋼管的偏心率由來自管坯方面的偏心率和來自穿孔頂頭的偏心率構(gòu)成；穿孔時采用偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)，降低了偏心率的產(chǎn)生振幅，使軋件沿周向產(chǎn)生金屬流動，從而達到減小偏心率的目的。

關(guān)鍵詞：無縫鋼管；斜軋穿孔機；壁厚；偏心率；管坯；頂頭；改善質(zhì)量；降低成本

漢斯·約阿希姆·佩勒（1950-），男，德國，工業(yè)博士，主要從事無縫鋼管的生產(chǎn)工藝研究。

1　觀　測

在斜軋穿孔機的穿孔過程中，無縫鋼管容易產(chǎn)生壁厚偏心率，而壁厚偏心率是由穿孔頂頭的偏心位置引起的；因此，偏心率被定義為兩個圓心的偏移，穿孔頂頭的圓周和軋件的圓周相互錯位。偏心率的定義如圖1所示。

圖1所示中的計算式在理論上是正確的，但在實際測量時會存在誤差；因此，一般采用傅立葉分析法進行評估計算。

在穿孔以后的變形機組上產(chǎn)生的偏心率可能會有所降低，但是大多數(shù)都不能徹底消除，甚至還會出現(xiàn)偏心率增大的情況。其原因是：在縱向軋制機架里孔型不對稱和不圓；在張力減徑機上因拉伸應(yīng)力過低而產(chǎn)生的溫度影響（即在高溫拉伸應(yīng)力作用下張力減徑機上鋼管的壁厚分布都較平均，鋼管橫截面上的溫度分布不均基本不會造成壁厚分布不均；但當拉伸應(yīng)力較小時，如橫截面上溫度分布不均等干擾因素則會對壁厚產(chǎn)生明顯的影響，這時很有可能在張力減徑機上形成偏心率。

壁厚偏差（當然也包括偏心率）會降低鋼管成材率和鋼管質(zhì)量，因此必須盡量在偏心率產(chǎn)生時就將其控制在最低值。

理論上講局部偏心率的最小值可達到2%～3%，但在實際生產(chǎn)中這個數(shù)值通常為5%～10%。例如，管坯加熱不均、軋管機和三輥導向裝置對中不良、軋制芯棒彎曲或穿孔頂頭磨損，都是主要的干擾因素。要降低偏心率就必須排除上述干擾因素，而是否成功排除這些干擾因素可通過測量軋件的偏心率來驗證。通常是在空心坯的兩端采用手動測量，在張力減徑機后采用在線熱壁厚測量，在冷床區(qū)采用手動測量，最后在精整線采用超聲波冷測。

圖2所示為某典型空心坯壁厚測量圖形結(jié)果。為了更清楚地闡述，圖2中不考慮除偏心率之外的壁厚偏差因素，此種壁厚分布在下面的敘述中是通用的。從圖2可以看出：沿空心坯長度方向的橫截面上不是一個固定不變的簡單偏心率，而是由不同的“振動”構(gòu)成的疊加和扭轉(zhuǎn)［1］。

圖1　偏心率的定義

圖2　某典型空心坯壁厚測量圖形結(jié)果

下面將分析復雜偏心率結(jié)構(gòu)的形成，找到偏心率構(gòu)成和形成原因，最終找出降低偏心率的方法。首要目的是在生產(chǎn)過程中盡可能及時地發(fā)現(xiàn)當前正在形成的偏心率，找到偏心率增加的原因并采取有效解決措施。

2　形成模型

頂頭軸線的軌跡及相應(yīng)的空心坯壁厚測量數(shù)據(jù)視覺化如圖3所示。當穿孔頂頭與軋件軸線保持不變的距離，并在軋件橫截面上沿著固定方位角進行旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生偏心率。對于軋件來講，這時頂頭軸線的位置是固定的（圖3a），該偏心率沿著軋件縱向軸大小不變且在軋件橫截面上位置相同（圖3b）。例如，某管坯的橫截面里出現(xiàn)沿縱向軸不變的溫度梯差時就會產(chǎn)生此種偏心率，此時穿孔頂頭更多地偏向管坯溫度較高的一側(cè)。

當穿孔頂頭軸線隨著軋制時間在橫截面沿著空心坯縱軸方向改變時（圖3c），頂頭的運動方式及相應(yīng)的偏心率就會變得更復雜（圖3d）。在實際生產(chǎn)過程中穿孔頂頭軸線到軋件軸線的距離也可能隨著生產(chǎn)過程而改變。此種情況下應(yīng)該考慮：當軋件在進行變形時會出現(xiàn)扭絞，此時穿孔頂頭相對于空心坯的固定位置可以看作“扭轉(zhuǎn)”的偏心率。通常在穿孔過程中首先出現(xiàn)沿著旋轉(zhuǎn)方向的扭絞，隨后出現(xiàn)反方向扭絞。出現(xiàn)的扭絞大多很小，扭絞的旋轉(zhuǎn)方向與軋制參數(shù)有關(guān)。

圖2所示的壁厚分布可能具有各種不同的產(chǎn)生機理。根據(jù)一種簡單的模型可推算出偏心率由穿孔頂頭的偏心位置與頂頭軸線的圓周運動疊加所致（圖3e），利用該模型計算出來的壁厚測量數(shù)據(jù)視覺化如圖3（f）所示。

與管坯相比，穿孔頂頭軸線圓周運動的頻率相對較低，處于頂頭的回轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)。由于軋輥直徑較大而軋件直徑較小，頂頭在高點附近回轉(zhuǎn)的速度比管坯要快一些。于是正在變形的軋件隨著管坯轉(zhuǎn)動方向扭絞。

圖3所示模型可用于較大偏心率的分析和形成原因解釋。該模型明確將偏心率的構(gòu)成分為兩部分：來自管坯的偏心率和來自穿孔頂頭的偏心率，兩個部分疊加后產(chǎn)生局部最大值。

來自管坯的偏心率可能是由于管坯非均勻加熱引起的，而來自穿孔頂頭的部分可能是由于對中不良或頂桿彎曲引起的。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)分析可以推論出偏心率形成的原因，準確發(fā)現(xiàn)和消除影響生產(chǎn)流程的誤差。偏心率分析可以根據(jù)壁厚測量數(shù)據(jù)和振動測量數(shù)據(jù)來進行。

還要指出的是，有時候還會測量到第3種偏心率，但是這種偏心率都很小，所以對實際生產(chǎn)沒有意義。

3　根據(jù)壁厚測量數(shù)據(jù)求出頂頭運動

穿孔頂頭的運動與空心坯的壁厚分布之間有著直接聯(lián)系，因此各種壁厚測量數(shù)據(jù)能夠應(yīng)用于辨識上述提及的不同偏心率部分。這可以用圖形進行，其中不同頻率的“波型”被分離，再根據(jù)大小和分布進行估算，如圖4所示。

除此之外，也可以使用傅立葉分析法將不同的頻率用數(shù)學方法分離。通常情況下，使用在線壁厚測量儀沿著軋件的縱向和周向測量壁厚，并詳細地將其數(shù)據(jù)記錄下來。此類測量儀一般是安裝在延伸裝置的后面，因此測量數(shù)據(jù)到達得較晚，偏心率數(shù)值可能會因張力減徑機的孔型誤差而變得不準確。若想手動詳細地測量壁厚數(shù)據(jù)則只能采用抽樣檢測，其費用非常高。因此，考慮直接在斜軋穿孔機上檢測偏心率是有意義的。

圖3　頂頭軸線的軌跡及相應(yīng)的空心坯壁厚測量數(shù)據(jù)視覺化

4　根據(jù)振動測量求出頂頭運動

當頂頭固定連接在頂桿上時，頂頭的運動方式由頂桿的離心轉(zhuǎn)動所決定。該運動方式還可能進一步與頂桿的彎曲和自身振動疊加。但是通過測量頂桿運動和比較壁厚的測量數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，偏心率的大小及其沿空心坯縱軸的分布可根據(jù)距離壁厚測量儀的測量值清楚地推算出來。例如，頂桿的偏心運動（橫截面方向）就能夠用距離測量儀記錄；而使用激光三角式測量儀可很好地完成測量任務(wù)，且儀器價格合理。筆者建議在兩個相互垂直對立的平面上進行測量，這樣可以準確地記錄頂桿的運動。

在測量頂頭運動（即頂桿的運動）時當然要考慮到第2節(jié)（圖3）所描述的情況，即頂頭相對于軋件的運動與一個絕對坐標系里的旋轉(zhuǎn)疊加。但該旋轉(zhuǎn)運動在原則上對偏心率的形成沒有意義。對偏心率有著重要意義的頂頭運動，其實在一個隨著空心坯旋轉(zhuǎn)的相對坐標系里。根據(jù)記錄下來的距離測量數(shù)據(jù)可以將不同的偏心率部分通過頻率分析分離開來。簡單的偏心率隨著空心坯旋轉(zhuǎn)的頻率旋轉(zhuǎn)，而疊加的偏心率就旋轉(zhuǎn)得更快。當然，也可以通過比較振動測量結(jié)果和偏心率值之間的相關(guān)性，以此來評估生產(chǎn)操作時的當前狀況。

圖4　對疊加偏心率分布（a）進行圖形分離得出（b）和（c）

5　影響頂頭運動

在穿孔過程中就測量偏心率對于生產(chǎn)具有明顯的優(yōu)越性，因為此時能夠立刻對偏心率的增大作出反應(yīng)。這個評估不僅給出偏心率大小的信息，而且還提示偏心率產(chǎn)生的可能原因，說明偏心率更可能來自穿孔前的加熱爐還是來自穿孔機，然而更有意義的是如何從根本上不讓更大的偏心率產(chǎn)生。

現(xiàn)介紹一種已試驗成功的方法——偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)。本文前面所述的頂頭軸線的自我回轉(zhuǎn)可由一個外界施加的高頻旋轉(zhuǎn)運動來代替，實踐中則是在頂桿和頂頭之間安裝一個偏心軸承（滑動軸承），通過一個回轉(zhuǎn)驅(qū)動器操縱頂桿的轉(zhuǎn)動［2］?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動器屬于常規(guī)技術(shù)產(chǎn)品，用于在開孔前將頂頭送入旋轉(zhuǎn)的管坯中，以減少頂頭磨損。

穿孔時采用常規(guī)技術(shù)和采用偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)時的偏心率比較如圖5所示。從圖5可以看出：采用偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)時，偏心率的特征發(fā)生改變，局部最大值與局部最小值之差變?。痪植科穆拭黠@減小。

圖5　穿孔時采用常規(guī)技術(shù)和偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)時的偏心率比較

采用偏心高頻率旋轉(zhuǎn)技術(shù)可取得兩種效果：①低頻的偏心率，即頂頭軸線的自轉(zhuǎn)被一種有益的高頻旋轉(zhuǎn)替代，減小了偏心率的產(chǎn)生振幅，使之可以在隨后的變形步驟里更好地被抵消；②通過頂頭軸線的高頻回轉(zhuǎn)使軋件沿周向產(chǎn)生金屬流動，從而使已經(jīng)產(chǎn)生的壁厚偏差得到一定的平衡抵消。

由此可見，通過上述方法可消減頂桿和穿孔機對中對偏心率的影響，該方法可以持久和穩(wěn)定使用，從而達到減小偏心率的目的。

6　結(jié)　語

無縫鋼管的壁厚偏心率占據(jù)了壁厚偏差的70%，由此導致產(chǎn)品質(zhì)量不良，降低了市場競爭力，但至今那些常規(guī)方法仍然不能有效解決該問題。本文介紹的解決無縫鋼管壁厚偏心率的方法，其效果已經(jīng)在試驗中得到證實，接下來只需要投入到生產(chǎn)實踐中即可。

7　參考文獻

［1］Pehle H J. Strengthening the competitiveness of seamless tube mills through technological process control［J］.Me-% tallurgical Plant and Technology International，2006，29（4）：60-65.

［2］漢斯·約阿希姆·佩勒.基于WO 2014/067514 A1：中國，201380069371.9［P］. 2014-05-08.

（王里譯）

Measurement Analysis and Method for Reduction of Wall Eccentricity of Seamless Steel Tube

Hans Joachim Pehle
（Germany Dehua GmbH，Monchengladbach 41068，Germany）

Abstract：Analyzed via relevant model are development and formation of wall eccentricity of the seamless steel tube. And also elaborated is a method for reducing error of such eccentricity，i.e.，the in-piercing process eccentric high frequency spinning technique. This method is used to monitor the manufacturing process. The analysis reveals that the said pipe eccentricity is originated by the bloom eccentricity and the piercer plug eccentricity. The superposition of these two factors lead to the local maximum value. Owing to using the said eccentric HF spinning technique during piercing operation，the vibration amplitude that causes the eccentricity is reduced to get circumferential metal flow of the workpiece so as to lessen the wall eccentricity of the pipe.

Key words：seamless steel tube；rotary piercing mill；wall thickness；eccentricity；bloom；plug；quality improvement；cost cut-down

收稿日期：（2015-11-17）

中圖分類號：TG335.71搖

文獻標志碼：B搖

文章編號：1001-2311（2016）01-0041-04