優(yōu)化擠壓輥參數(shù)設(shè)計(jì)消除高頻焊管表面缺欠

介升旗，陳浩明，楊喜峰

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

2010 年寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司專用管分公司建成了一條Ф219 mm 高頻焊管生產(chǎn)線，其中的8K2H 高頻焊管機(jī)組是從美國ABBEY International 公司引進(jìn)的。該機(jī)組的設(shè)計(jì)規(guī)格為Ф114.3～219.1 mm×4.8～13.8 mm，但實(shí)際上該機(jī)組只生產(chǎn)Ф193.7 mm 焊接管坯，該焊接管坯用于后續(xù)熱張力減徑生產(chǎn)不同管徑管坯，再經(jīng)全管體熱處理+車絲工序后作為油套管成品供貨。生產(chǎn)壁厚為7.34 mm的Ф193.7 mm 焊接管坯時，五輥式焊接機(jī)架中的上擠壓輥外側(cè)輥緣容易對焊接管坯造成線性壓痕缺欠；生產(chǎn)壁厚∧10 mm 的焊接管坯時，還容易出現(xiàn)焊瘤壓入上擠壓輥造成管體壓坑等缺欠［1-2］。分析缺欠產(chǎn)生原因，并對焊接上擠壓輥間的輥縫參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對軋輥孔型半徑及寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期改善焊接管坯質(zhì)量。

1 焊管機(jī)組焊接擠壓輥基本設(shè)計(jì)

Ф219 mm 高頻焊管機(jī)組焊接擠壓輥采用五輥式設(shè)計(jì)，上擠壓輥孔型半徑為106.80 mm，側(cè)擠壓輥和下擠壓輥孔型半徑均為97.09 mm；上擠壓輥內(nèi)側(cè)輥緣圓弧倒角半徑為1.5 mm，外側(cè)輥緣圓弧倒角半徑為3 mm，側(cè)擠壓輥和下擠壓輥輥緣圓弧倒角半徑為4 mm；上擠壓輥間輥縫設(shè)計(jì)為8 mm，上擠壓輥和側(cè)擠壓輥的輥縫為4 mm，側(cè)擠壓輥和下擠壓輥的輥縫為4 mm。焊接擠壓輥基本尺寸如圖1 所示，上擠壓輥位置如圖2 所示。理想狀態(tài)下，熱軋鋼帶在經(jīng)過成型和焊接擠壓后會形成一個正圓。

圖1 焊接擠壓輥基本尺寸示意

圖2 上擠壓輥位置示意

從圖1 可以看出，上擠壓輥孔型半徑為側(cè)擠壓輥孔型半徑的1.10 倍，這樣的設(shè)計(jì)會使得上擠壓輥外側(cè)輥面與理想的圓形管坯斷面形成一定的間隙，將該間隙稱為“后跟隙”。由于“后跟隙”的存在，使得焊接擠壓時上擠壓輥內(nèi)側(cè)輥面形成的力大于上擠壓輥外側(cè)輥面受到的力，這更有利于焊接擠壓和熔融金屬的排出，同時減少上擠壓輥外側(cè)輥緣對焊接管坯造成的壓痕［3-5］。

2 焊接擠壓輥在生產(chǎn)時存在的問題

在高頻焊管機(jī)組的安裝調(diào)試和試生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)壁厚7.34 mm 的Ф193.7 mm 焊接管坯時，尤其是鋼帶對焊接頭經(jīng)過焊接擠壓輥時，由于鋼帶頭尾板形不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生錯邊，上擠壓輥外緣造成焊接管坯表面錯邊較高的一側(cè)容易產(chǎn)生直線形壓痕，嚴(yán)重時甚至形成小臺階，焊瘤（熔融金屬）容易偏向管坯錯邊較低的一側(cè)，由于焊瘤大且不均勻，易被壓入焊接上擠壓輥，并經(jīng)擠壓輥輾壓，從而造成管體壓坑。分析認(rèn)為，理想狀態(tài)下，焊接管坯與上擠壓輥外緣輥面間會形成“后跟隙”；但實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于輥緣受力不平衡，上擠壓輥旋轉(zhuǎn)扭矩使得上擠壓輥向內(nèi)側(cè)（焊縫側(cè)）旋轉(zhuǎn)，軸承安裝間隙較大或軸承磨損時，使得“后跟隙”減小，甚至消除，也使得上擠壓輥之間的輥縫減小，容易出現(xiàn)上擠壓輥外輥緣對焊接管坯造成壓痕，內(nèi)側(cè)輥面擠壓焊瘤在焊縫兩側(cè)形成壓坑［6-10］。上擠壓輥受力偏轉(zhuǎn)如圖3 所示。

圖3 上擠壓輥受力偏轉(zhuǎn)示意

3 焊接上擠壓輥的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 輥縫參數(shù)的調(diào)整

為了減小上擠壓輥造成的焊接管坯缺欠，將兩個上擠壓輥各向兩側(cè)調(diào)整約2 mm，增加上擠壓輥間的輥縫，同時增加上擠壓輥與焊接管坯間的“后跟隙”。調(diào)整后，生產(chǎn)7.34 mm 壁厚的Ф193.7 mm焊接管坯的線狀壓痕與焊瘤壓坑等缺欠均大幅減少，但是依然無法根除。上擠壓輥間的輥縫與“后跟隙”關(guān)系如圖4 所示。

圖4 上擠壓輥的輥縫與“后跟隙”關(guān)系示意

3.2 孔型半徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了有效消除上擠壓輥外側(cè)輥緣對焊接管坯造成的壓痕，將上擠壓輥的孔型半徑由原來為側(cè)擠壓輥孔型半徑的1.10 倍修改為1.15 倍，即將上擠壓輥孔型半徑由106.80 mm 調(diào)整為111.65 mm，增加了焊接管坯與上擠壓輥間的“后跟隙”。使用優(yōu)化了孔型半徑的上擠壓輥生產(chǎn)7.34 mm 壁厚Ф193.7 mm焊接管坯時，有效地消除了上擠壓輥外側(cè)輥緣對焊接管坯造成的線狀壓痕。

3.3 輥面寬度的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)上擠壓輥孔型半徑后，生產(chǎn)壁厚8.9 mm 以下的Ф193.7 mm 焊接管坯時基本不會再出現(xiàn)管坯缺欠，但是生產(chǎn)10 mm 壁厚Ф193.7 mm 焊接管坯時，若板形不好，就還會出現(xiàn)焊瘤壓坑，尤其是生產(chǎn)壁厚為12.5 mm 的高抗擠毀套管用焊接管坯時的焊瘤壓坑非常嚴(yán)重。為了保證厚壁焊管的正常生產(chǎn)，對上擠壓輥進(jìn)行分析，認(rèn)為：①生產(chǎn)厚壁管時擠壓量大，熔融金屬排出多；②生產(chǎn)厚壁管時上擠壓輥受力大，受到的扭矩也大，上擠壓輥安裝時軸與孔之間的間隙、軸承安裝和磨損后的間隙等均會造成上擠壓輥向焊縫位置偏轉(zhuǎn)（圖3），造成上擠壓輥間的輥縫減小。上述原因造成焊接熔融金屬容易被上擠壓輥輾壓，從而形成壓坑［11-13］。

為了保證厚壁焊管的生產(chǎn)質(zhì)量，每次生產(chǎn)厚壁焊管時都需要更換上擠壓輥的軸承，更換時必須保證軸承精度，保證軸承內(nèi)外圈壓緊、壓實(shí)，減少上擠壓輥向焊縫側(cè)偏轉(zhuǎn)，同時盡可能地將兩個上擠壓輥向兩側(cè)調(diào)整，以增大上擠壓輥間的輥縫。上述措施雖然取得了一定的效果，但是由于軋輥安裝間隙很難消除，上擠壓輥受力大時，上擠壓輥向焊縫側(cè)偏轉(zhuǎn)仍比較明顯，不能徹底解決問題［14-15］。

為了從根本上解決上述厚壁焊管生產(chǎn)問題，通過進(jìn)一步分析認(rèn)為，需要對上擠壓輥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加上擠壓輥的輥縫，即減少上擠壓輥輥面的寬度。根據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定將上擠壓輥輥面寬度減少1.5 mm，則上擠壓輥間的輥縫增大3 mm，即上擠壓輥的輥縫由原8 mm 增加至11 mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的上擠壓輥如圖5 所示。如果厚壁焊管管坯仍然存在壓坑缺欠，配合上擠壓輥的橫向調(diào)整以增加輥縫。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的上擠壓輥生產(chǎn)厚壁焊管管坯，取得了較好的效果。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的上擠壓輥示意

4 結(jié)語

（1）適當(dāng)增大高頻焊接上擠壓輥孔型半徑，從而增加上擠壓輥與焊接管坯間的“后跟隙”，可以有效地消除上擠壓輥對焊接管坯表面造成的直線形壓痕缺欠。

（2）通過減小上擠壓輥輥面寬度，增加上擠壓輥的輥縫，可以有效地消除焊縫附近的焊瘤壓坑。