無縫鋼管壁厚不均現(xiàn)象的淺析

周新亮， 何新田

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024；2.湖北新冶鋼鋼管事業(yè)部， 湖北 黃石435001）

生產(chǎn)實(shí)踐·應(yīng)用技術(shù)

無縫鋼管壁厚不均現(xiàn)象的淺析

周新亮1， 何新田2

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024；2.湖北新冶鋼鋼管事業(yè)部， 湖北 黃石435001）

針對穿孔后毛管壁厚不均勻的現(xiàn)象，分析出穿孔過程中的頂桿不穩(wěn)定是造成毛管壁厚偏差的主要原因，進(jìn)而對造成頂桿不穩(wěn)定的因素進(jìn)行分析。通過從減小頂桿壓力、縮短頂桿支撐長度、增大頂桿界面、提高頂桿強(qiáng)度等方面入手，可提高穿孔過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高毛管的壁厚精度。

穿孔機(jī) 壁厚不均 頂桿 穩(wěn)定性 三輥抱芯裝置

無縫鋼管作為一種重要的基礎(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、機(jī)械、建筑等行業(yè)。無縫鋼管壁厚偏差作為合格鋼管產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)，不僅影響到鋼管廠的效益，更是直接影響特殊使用環(huán)境下鋼管的性能。壁厚偏差分為橫斷面壁厚偏差和縱向長度壁厚偏差[1]。

1 生產(chǎn)線的改進(jìn)及存在的問題

太原重工股份有限公司為國內(nèi)某廠設(shè)計(jì)制造的Φ273mm斜軋管機(jī)組一直在正常生產(chǎn)。之后用戶根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格及市場需求對原有生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造，原斜軋機(jī)組更換為縱軋機(jī)組，原Φ273mm立式錐形輥穿孔機(jī)經(jīng)過改造利舊后繼續(xù)應(yīng)用于新的生產(chǎn)線。

改造后的Φ273mm穿孔機(jī)的主要參數(shù)如下：軋輥直徑為Φ1 150mm，輥身長度為950mm，最大軋制速度為1.15m/s，送進(jìn)角為8°～15°（可調(diào)），輾軋角為15°（固定），軋輥距為90～300mm，導(dǎo)板距為 90～320mm[2]。

穿孔機(jī)組作為生產(chǎn)熱軋無縫鋼管的四大主要設(shè)備之一，其功能是把加熱的實(shí)心鋼坯穿制成為空心毛管，高效性一直無可替代。穿孔機(jī)組主要的設(shè)備組成：入口臺、穿孔主機(jī)座、主傳動裝置、出口臺一段、出口臺二段。

穿孔機(jī)組生產(chǎn)出毛管的壁厚精度對成品管的壁厚精度有著至關(guān)重要的影響，但后續(xù)的斜軋或縱軋等設(shè)備對毛管進(jìn)行加工時(shí)壁厚偏差改善有限。穿孔毛管的壁厚精度主要取決于穿孔主機(jī)的調(diào)整精度，后臺一段、二段與主機(jī)的直線度，穿孔頂桿的剛度等。穿孔機(jī)出口臺一段的主要作用就是對頂桿起夾持作用和對穿出毛管進(jìn)行導(dǎo)向。

在新生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，該機(jī)組在生產(chǎn)大規(guī)格鋼管時(shí)，成品鋼管的質(zhì)量及尺寸公差一直能滿足產(chǎn)品的要求，但在生產(chǎn)小直徑規(guī)格的成品管尤其是Φ100mm及以下的規(guī)格時(shí)，在交貨驗(yàn)收過程中測量發(fā)現(xiàn)部分鋼管壁厚不合格。具體表現(xiàn)為，成品無縫鋼管經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)沿鋼管長度方向上有縱向壁厚不均勻的現(xiàn)象，且肉眼觀測無明顯差別[3]。

對不合格成品鋼管測量數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，只有在生產(chǎn)最小規(guī)格的毛管時(shí)，才會出現(xiàn)鋼管縱向壁厚不均增大的規(guī)律，最終確定造成偏差的原因在穿孔過程。

2 壁厚不均的原因分析

從變形曲線來看，在生產(chǎn)Φ127mm×12.7mm的車軸管時(shí)，鋼管壁厚上限13.17mm，下限11.47 mm，平均壁厚12.35mm，最大壁厚偏差達(dá)到了9.69%，超出了成品管交貨要求。由圖1看出，在全長測厚曲線上，壁厚出現(xiàn)周期性的上下壁厚擴(kuò)張，曲線呈“波浪形”，造成產(chǎn)品很難修正。

圖1 鋼管壁厚偏差曲線

2.1 大軋輥軋制小直徑鋼管的影響

根據(jù)穿孔機(jī)軋制力理論[1-2]得出基本計(jì)算公式：

穿孔機(jī)穿制毛管時(shí)，對于使用相同的壓下工藝參數(shù)，大軋輥和實(shí)心鋼坯的接觸面積更大，實(shí)際軋制力會相應(yīng)增大。

軋制時(shí)，穿孔機(jī)頂頭所受軸向力[1]與軋制力的關(guān)系根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：Q=（0.3～0.4）P。穿孔機(jī)頂頭所受的軸向力最終通過頂桿傳遞給底座。由于使用大軋輥軋制小坯料產(chǎn)生軋制力增大會造成頂桿所承受的軸向力增大，會對穿孔時(shí)頂桿的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良的影響[4]。

2.2 頂桿剛性的影響

穿孔機(jī)工作時(shí)，頂桿在工作過程中承受頂頭傳遞過來的壓力和扭轉(zhuǎn)力，在勻速穿孔過程中主要是壓力對頂桿的穩(wěn)定性造成影響。頂桿作為細(xì)長件受力，其剛性差會對整個(gè)穿孔過程毛管壁厚產(chǎn)生決定性影響，容易出現(xiàn)頂桿彎曲，造成穿孔偏心和毛管壁厚重復(fù)性不均勻。

2.3 頂桿支撐穩(wěn)定性的影響

穿孔過程中，當(dāng)毛管從軋輥尾端軋出到達(dá)機(jī)內(nèi)三輥抱芯裝置抱輥小開導(dǎo)向時(shí)，頂桿懸臂突然增長，頂桿產(chǎn)生顫動彎曲使頂頭不穩(wěn)定而造成鋼管一邊厚一邊薄。由于穿孔機(jī)軋制的自動調(diào)節(jié)作用，使這一偏心逐漸調(diào)整到正常。隨著鋼管的前進(jìn)，到下一個(gè)三輥抱芯裝置小開導(dǎo)向時(shí)又會出現(xiàn)偏心，從而出現(xiàn)周期性的偏心。

3 對應(yīng)措施

3.1 降低軋制力

根據(jù)軋制力理論，盡量選取磨削后的小直徑的軋輥進(jìn)行穿孔，以便適當(dāng)降低穿孔機(jī)軋輥的軋制力，使頂桿受力減小，增加穿孔時(shí)穩(wěn)定性。

3.2 增強(qiáng)頂桿剛性

1）頂桿作為細(xì)長件，長度遠(yuǎn)大于截面高度，最大彎曲正應(yīng)力遠(yuǎn)大于彎曲切應(yīng)力。根據(jù)彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件可知抗彎截面系數(shù)WZ越大，所能承受的壓力越高，越穩(wěn)定。表1列出通過增加頂桿直徑和壁厚，抗彎截面系數(shù)的變化情況。

表1 頂桿抗彎截面系數(shù)表

由表1可看出只增加頂桿壁厚，WZ增加不大，需要增加空心圓環(huán)截面的面積才能保證抗彎截面系數(shù)有效的增加。

2）彎曲變形還與材料的彈性模量E有關(guān)，E越大變形越小，雖然各種鋼材的彈性模量大致相同，但是根據(jù)穿孔實(shí)際情況，在高溫狀態(tài)下各種材料的強(qiáng)度還是有差異的。頂桿材質(zhì)可選用一些耐熱且強(qiáng)度高的材質(zhì)。頂桿常用材料有 35CrMo、42CrMo、1Cr5Mo等，1Cr5Mo材料的耐熱強(qiáng)度比較好。目前頂桿使用的1Cr5Mo管料采用熱軋管不經(jīng)過熱處理直接制成頂桿的方式可保證其有足夠的強(qiáng)度。通過資料查詢及結(jié)合其他現(xiàn)場使用經(jīng)驗(yàn)確定采用1Cr5Mo做頂桿足夠好。對現(xiàn)場使用的1Cr5Mo頂桿的熱軋態(tài)和調(diào)制態(tài)進(jìn)行了對比檢測，結(jié)果見表2。

表2 頂桿材料性能表

熱軋態(tài)材料性能明顯好于調(diào)制態(tài)試樣，現(xiàn)場頂桿繼續(xù)使用1Cr5Mo熱軋態(tài)材料。

3.3 增加三輥抱芯裝置，縮短支撐距離

穿孔過程中，頂桿作為受壓細(xì)長桿件，其懸臂長度對頂桿穩(wěn)定性起重要作用。穿孔機(jī)現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示，由于機(jī)內(nèi)三輥抱芯的更換機(jī)構(gòu)造成機(jī)內(nèi)三輥抱芯裝置和機(jī)外三輥抱芯裝置之間距離過大，當(dāng)毛管頭部到達(dá)三輥抱芯裝之前，抱輥由夾持狀態(tài)變?yōu)樗砷_導(dǎo)向，造成頂桿懸臂長度突然增長，使頂桿產(chǎn)生晃動的程度加大，對毛管穩(wěn)定軋制產(chǎn)生影響。根據(jù)設(shè)備空間結(jié)構(gòu)在機(jī)內(nèi)三輥抱芯裝置后面增加一架三輥抱芯裝置，可縮短三輥抱芯裝置對頂桿的支撐距離，提高毛管穿孔過程中的穩(wěn)定性。

圖2 三輥抱芯增加示意圖

4 結(jié)語

通過以上措施，從減小頂桿壓力、縮短頂桿支撐長度、增大頂桿界面、提高頂桿強(qiáng)度等方面入手提高穿孔過程的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高毛管的壁厚精度，改善后的鋼管壁厚精度（見圖3），鋼管壁厚精度提高到了約5%。

圖3 改善后的鋼管壁厚偏差曲線

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明增加抱芯裝置，選用合適的軋制工具，提高穿孔時(shí)頂桿穩(wěn)定性的改造是成功的。

[1] 李連詩.小型無縫鋼管[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[2] 王廷傅.軋鋼工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[3] 李國禎.現(xiàn)代鋼管軋制與工具設(shè)計(jì)原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[4] 范欽珊.材料力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

Analysis of the Uneven Thickness of Seam less Steel PipeW all

Zhou Xinliang1,He Xintian2
（1.Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi030024;2.Business Department of Hubei Xinyegang Steel Co.,Ltd.,Huangshi Hubei 435199）

The wall thickness of the steel pipe is uneven in the piercing process.The instability of the plug bar is the main cause of the deviation of the capillary wall thickness during the piercing.In this paper,the factors that cause the instability of the plug bar are analyzed.By reducing the pressure,shorten the support length and enhance the interface,improve the strength of the top rod,the stability of the perforation process can be improved,so as to improve the wall-thickness accuracy of capillary.The improved wall-thickness accuracy of steel pipe is increased to about5%.The thickness of the shell is improved by adjusting the roll size,thematerial and section area of the rod and the length of the supporting rod.

cone type piercer;uneven wall thickness;plug bar;stability;three-roll holding device

TG335.71

A

1672-1152（2017）05-0093-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.35

2017-09-25

周新亮（1981—），男，本科，畢業(yè)于燕山大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事軋鋼設(shè)備及工藝研究。何新田（1965—），男，本科，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事軋鋼生產(chǎn)及工藝研究。

（編輯：王瑾）