大中型多輥連軋管機組產(chǎn)品壁厚精度的模擬對比

歐陽建，王銳，覃宣，穆東，陳敏

大中型多輥連軋管機組產(chǎn)品壁厚精度的模擬對比

歐陽建，王銳，覃宣，穆東，陳敏

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司鋼管事業(yè)部，重慶401122）

利用ABAQUS有限元仿真軟件，模擬分析了多輥（二輥、三輥和四輥）連軋工藝應用于Φ340 mm連軋管機組的軋后荒管壁厚精度；并對比各機架峰值軋制力的模擬結(jié)果與實測結(jié)果。結(jié)果表明：與二輥和三輥相比，采用四輥連軋工藝軋制低碳鋼、高合金鋼品種，產(chǎn)品壁厚均勻性更好。

無縫鋼管；多輥連軋；壁厚精度；有限元仿真；對比

在無縫鋼管生產(chǎn)中，三輥限動芯棒連軋管機組以其高質(zhì)量、高精度、高產(chǎn)量、高效率和低消耗等顯著優(yōu)點，被公認為目前世界上最為先進的無縫鋼管生產(chǎn)機組［1－6］，并在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用和發(fā)展。據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，目前我國共有31套連軋管機組，總生產(chǎn)能力近1 500萬t/a，產(chǎn)品外徑規(guī)格涵蓋21.3～508.0 mm。其中，三輥連軋管機組共計19套，二輥連軋管機組共計12套。

理論研究［7－9］表明：與二輥連軋工藝相比，三輥連軋工藝因其孔型輥速差更小、孔型封閉性更好等特點，相對軋制變形過程更加均勻穩(wěn)定，對應生產(chǎn)的產(chǎn)品壁厚精度更高。根據(jù)對眾多生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)研了解，對于同等規(guī)格機組，三輥連軋工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品平均壁厚精度普遍要比二輥連軋工藝高出1～2個百分點。同樣地，從理論上講，連軋管機若采用四輥工藝，孔型輥速差和孔型封閉性條件將比三輥工藝更加優(yōu)越。正是基于這樣一種技術(shù)背景，中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司開發(fā)了全新的四輥連軋工藝，并利用ABAQUS有限元仿真軟件對多輥連軋工藝（二輥、三輥和四輥）應用于Φ340 mm連軋管機組軋后荒管壁厚精度進行了模擬對比分析。

1 模擬過程簡述

采用5機架連軋孔型，有限元模擬過程簡述為：各機架軋輥以恒定的轉(zhuǎn)速繞軸線旋轉(zhuǎn)，芯棒在限動機構(gòu)的作用下，連同軋件一起沿著軋制方向運動，軋件靠旋轉(zhuǎn)的軋輥和軋件之間的摩擦力被曳入輥縫中，受到軋輥和芯棒的壓縮而產(chǎn)生塑性變形，完成軋制過程。

在整個模擬過程中，無論是二輥、三輥還是四輥孔型，其連軋工藝均采用限動芯棒軋制技術(shù)，即芯棒速度小于等于第一機架軋輥圓周線速度。為此，對于芯棒而言，所有的機架均是導前機架，芯棒對金屬的摩擦力方向與軋制方向相反。

2 模型簡化及說明

為了便于開展研究工作，對各模擬過程作以下簡化處理：將軋輥和芯棒定義為剛塑性體材料（即不考慮軋輥和芯棒的變形），在計算過程中，軋輥的材料選用無限冷硬球墨鑄鐵，芯棒材料選用合金鋼，軋件材質(zhì)分別選擇20鋼（低碳鋼）或T91鋼（高合金鋼）［10］。

由于金屬變形的復雜性以及計算條件的局限性，模擬時可對實際的過程做以下簡化和假設［11-13］：

（1）軋制過程中，各軋輥均為主動輥，為了處理方便，建模時近似認為各機架間為無張力軋制，即可近似認為各機架間距無限大，當模擬完一個機架的軋制后再開始下一個機架。

（2）軋制過程采用庫侖摩擦，但不考慮靜摩擦的影響，定義毛管內(nèi)壁與芯棒的動摩擦因數(shù)為0.05，毛管外壁與軋輥的動摩擦因數(shù)為0.3。

（3）假設鋼管各部分的初始溫度相同，芯棒在整個軋制過程中始終保持溫度恒定。

（4）模擬過程不考慮熱膨脹的影響。

（5）為了貼合實際情況，芯棒在軋制過程中處于浮動狀態(tài)（即垂直于軸向的兩個空間方位是自由狀態(tài)，這跟實際生產(chǎn)過程一致）。

3 初始參數(shù)設定

入口毛管外徑327 mm

入口毛管壁厚18 mm

出口荒管外徑293 mm

出口荒管壁厚6.0 mm

芯棒直徑281 mm

入口軋件溫度～1 100℃（全過程恒溫）

第一機架咬入速度～1.2 m/s

芯棒限動速度～0.6 m/s

彈性模量149 GPa

軋件模型原始長度350 mm

總延伸系數(shù)～3.23

在這樣一種初始條件設定下，3種不同連軋工藝的延伸系數(shù)和減徑量、減壁量是一樣的，這是此次模擬對比的必要前提條件。

4 輥型參數(shù)設計

為了最大限度減輕孔型設計對軋后荒管壁厚精度的影響，模擬過程盡量選用實際應用過的成熟可靠輥型，輥型參數(shù)設計依據(jù)見表1。各軋制工藝的單機架輥型建模如圖1所示。

表1 輥型參數(shù)設計依據(jù)

圖1 多輥連軋工藝單機架輥型建模

5 來料建模

連軋前的來料為穿孔后的毛管，在實際生產(chǎn)過程中，薄壁規(guī)格的毛管容易出現(xiàn)內(nèi)外螺旋道，即螺旋形的壁厚不均［14-16］。因此，在來料建模中也將此因素進行了考慮，體現(xiàn)在具體指標上為：來料的橫向和縱向均存在±6%的壁厚公差。另外，為了方便模擬計算，來料毛管模型不考慮頭尾尺寸偏差的影響（由于不穩(wěn)定過程的存在，實際穿孔后的毛管通常存在“頭大尾小”現(xiàn)象），相應地，后續(xù)分析對比過程只對軋后荒管模型的中間穩(wěn)定部分進行取值，來料建模如圖2所示。

圖2 來料建模

6 對比分析

6.1 數(shù)據(jù)處理方式

對于軋后的荒管模型，待分別去掉頭尾端不規(guī)則部分后，在穩(wěn)定的中間段沿著模型通長方向取8個不同的縱條（即每隔45°取一個縱條），對于任一個縱條，每隔7.5 mm取一個點，對應讀取其壁厚值，這樣，每個縱條均可以讀取近100個壁厚值，分別對這些數(shù)據(jù)進行處理計算，以對比分析軋后各橫、縱向以及全管體的壁厚精度。

6.2 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析過程中，主要引入常見的公差和方差指標，對各荒管模型的壁厚精度進行全面表征。

（1）橫、縱向壁厚公差，用來表征各橫、縱截面的壁厚不均程度。壁厚公差的計算公式為：

式中Smax，Smin——分別為任一方向的最大壁厚值與最小壁厚值，mm；

S0——名義壁厚值，mm。

（2）橫、縱向壁厚方差，用來表征各橫、縱截面隨機壁厚值與壁厚平均值的偏離程度，從統(tǒng)計學上更加嚴謹?shù)胤从掣鳈M、縱截面的壁厚不均程度。橫、縱向壁厚方差的計算公式為：

壁厚方差=任一方向的所有壁厚值分別與其平均值之差的平方的和的平均數(shù)。

式中S1，S2…Sn——任一方向的壁厚值，mm；

S——壁厚平均值，mm；

n——測量次數(shù)。

（3）全管體壁厚公差，用來表征全管體總的壁厚不均程度，其計算公式與公式（1）類似。全管體壁厚公差=全管體所有數(shù)據(jù)中的最大壁厚值與最小壁厚值之差除以名義壁厚后再除以2。

6.3 對比分析結(jié)果

3種不同連軋孔型軋制低碳鋼（20鋼）數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2；3種不同連軋孔型軋制高合金鋼（T91鋼）數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表3。

表2 3種不同連軋孔型軋制低碳鋼的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表3 3種不同連軋孔型軋制高合金鋼的數(shù)據(jù)分析結(jié)果

從表2～3可看出，若單純考慮孔型的影響（不考慮溫度不均，設備及工模具的設計、制造、安裝、調(diào)整等因素影響），存在一定壁厚不均（±6%）的毛管經(jīng)連軋管機軋制后，壁厚不均有明顯的改善，即通常所說的糾偏效果明顯。從表2～3還可以看出，在生產(chǎn)低碳鋼品種和生產(chǎn)高合金鋼品種時，從縱向壁厚精度指標來看，二輥和三輥相當，其壁厚公差均比四輥高約1.5個百分點；從橫向壁厚精度指標來看，四輥最好，三輥次之，二輥最差，四輥與三輥、三輥與二輥的相鄰壁厚公差差值約為2個百分點；從全管體總壁厚公差指標來看，同樣是四輥優(yōu)于三輥，三輥優(yōu)于二輥。從上述分析細節(jié)來看，表2～3反映出來的結(jié)果趨勢幾乎是完全一致的。

6.4 小結(jié)

通過上述對比分析可以看出，對于大中型連軋管機組，無論是生產(chǎn)低碳鋼還是高合金鋼品種，多輥的壁厚糾偏優(yōu)勢體現(xiàn)得比較明顯：輥數(shù)越多，產(chǎn)品的綜合壁厚精度越高、壁厚均勻性越好。

7 模型準確性驗證

為了驗證所采用軟件及模型的準確性，采用相同的方法，結(jié)合江蘇華菱錫鋼特鋼有限公司Φ258 mm三輥連軋管機組現(xiàn)場的實際軋制工況，進行重新建模，并將模擬結(jié)果與當時的實測數(shù)據(jù)（軋制力峰值）進行對比。各機架在軋制過程中的軋制力峰值對比結(jié)果見表4。

表4 各機架在軋制過程中的軋制力峰值對比結(jié)果k N

從表4可以看出：各機架峰值軋制力的模擬結(jié)果與實測結(jié)果相差0.9%～21.2%，特別是對于集中了絕大部分變形的前3個主機架，兩者相差不超過8%，結(jié)果相當接近。因此，可以認為采用的模型是可靠的。

8 結(jié)語

綜合以上分析，對于連軋管機組，孔型越多，意味著孔型輥速差越小、孔型封閉性越好，相應地生產(chǎn)出來的產(chǎn)品壁厚均勻性更好。當然，輥數(shù)越多，設備設計的難度越大，設備一次性投資和輥耗也會有一定程度的增加；因此，還需進一步評估設備投資、生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益等主要經(jīng)濟指標來綜合論證多輥連軋管機的應用價值，這也是下一步需重點關(guān)注的內(nèi)容。

［1］嚴澤生，莊鋼，孫強.世界熱軋無縫鋼管軋機的發(fā)展［J］.中國冶金，2011，21（1）：7－11，19．

［2］嚴澤生，劉衛(wèi)平，孫強．世界首套先進的三輥式連軋管機組成功投產(chǎn)［J］．天津冶金，2004（6）：3－6．

［3］易興斌，陳寶林．連軋管機組與Accu-Roll軋管機組的比較［J］．特殊鋼，2003，24（1）：20－23．

［4］李元德，朱燕玉，賈立虹，等．連軋管機組發(fā)展歷程及生產(chǎn)技術(shù)［J］．鋼管，2010，39（2）：1－13．

［5］陳碧楠．三輥連軋管機的發(fā)展及分析對比［J］．鋼管，2010，39（3）：6－9．

［6］李群，楊帆，丁德元，等．從MPM到PQF——限動芯棒連軋管機回顧及展望［J］．鋼管，2007，36（6）：19－24．

［7］李群，安野，魏建，等．關(guān)于三輥連軋管機孔型調(diào)節(jié)方法的討論［J］．鋼管，2010，39（5）：62－65．

［8］熊令芳，秦臻．國產(chǎn)TZΦ180 mm三輥連軋管機組的技術(shù)水平分析［J］．鋼管，2012，41（2）：42－44．

［9］嚴澤生，孫強，莊鋼．PQF生產(chǎn)工藝［J］．鋼管，2006，35（1）：37－42．

［10］劉惠強．無縫鋼管軋制變形過程有限元模擬［J］．模具工業(yè)，2010，36（11）：29－33．

［11］章傳國，劉靖，韓靜濤．無縫鋼管連軋過程有限元數(shù)值模擬研究［J］．塑性工程學報，2005，12（增刊）：155－158．

［12］閻軍．角鋼變形有限元模擬及孔型優(yōu)化設計方法研究［D］．北京：北京科技大學，2000．

［13］黃賢安．TCM三輥連軋管機軋制過程的有限元模擬［J］．山西冶金，2011（4）：13－15．

［14］席正海．菌式穿孔金屬變形的試驗研究［J］．鋼管，2001，30（6）：16－18．

［15］呂再興，李偉，胡樹君，等．鋼管壁厚不均成因分析及對策［C］//第十一屆北方鋼管技術(shù)研討會論文匯編，2007．

［16］葉志海，孫福杰，高麗娜．淺談改善鋼管壁厚偏差［J］．一重技術(shù)，2004（1）：35－36．

●簡訊

渤海能克鉆桿有限公司Φ139.7 mm高強度高韌性鉆桿刷新深井施工5項紀錄［發(fā)布日期：2016－09－08］

2016年8月18日，渤海能克鉆桿有限公司生產(chǎn)的Φ139.7 mm高強度高韌性鉆桿，在吐哈油田玉北10H井的勘探過程中，刷新了該油田深層稠油水平井井深最深、垂深最深、水平段最長、鉆井周期最短和機械鉆速最快5項鉆井紀錄。吐哈油田玉北10H井的完鉆井深5 210 m、垂深4 652 m、水平段長633 m；全井鉆進周期99 d，比原設計縮短周期41 d，較周邊玉北9－20H井的鉆進速度增加92%，且全井段無復雜事故發(fā)生。

（摘自：中國石油渤海裝備公司第一機械廠網(wǎng)站）

Simulated Comparison of Thickness Accuracies of Large-and-middle-sized Multi-roll Mandrel Mills

OUYANG Jian，WANG Rui，QIN Xuan，MU Dong，CHEN Min
（Steel Pipe Business Division，CISDI Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China）

Analyzed in the paper are the thickness accuracies of the shells after the multi-roll（2-roll，3-roll，4-roll）rolling processes applied inΦ340 mm mandrel mills using ABAQUS FEA software.Comparing the simulated result and actual result of the peak rolling force of each stand，it is conclued that，when making mild steel and high alloy steel tubes，the 4-roll rolling process can get better thickness homogeneity in comparison with 2-roll and 3-roll processes.

seamless steel tube；multi-roll mandrel mill；thickness accuracy；finite element simulation；comparison

TG333.8

B

1001－2311（2016）05－0052－04

2016－05－19）

歐陽建（1984－），男，工程師，主要從事鋼管生產(chǎn)工藝設計及研究工作。