“直接成方”矩形管生产工艺及设备的研究

2017-10-11仝江涛

焊管 2017年8期

关键词：成方管坯成型机

仝江涛

（天水锻压机床（集团）有限公司，甘肃天水 741020）

“直接成方”矩形管生产工艺及设备的研究

仝江涛

（天水锻压机床（集团）有限公司，甘肃天水 741020）

为降低大直径矩形管的生产成本，满足建筑行业市场需求，对“直接成方”矩形管生产工艺流程和关键工序进行了研究。指出，“直接成方”成型过程中要保证成型角均大于90°，成型角的圆弧半径大于成品的圆弧半径，并且需要设计专用鹅颈上模；合缝（预焊）工序必须增加内撑辊装置；精整（轧制）工序上辊必须加工出焊缝余高通过槽，防止焊缝余高在精整过程中造成上板面塌陷。同时，对铣边机、成型机、合缝机、精整机、龙门移动矫直机等大直径矩形管主要生产设备的要求进行了阐述。对比研究表明，“直接成方”工艺较“先圆后方”工艺具有明显优势，能够节省设备、减少工序，从而降低生产成本。

矩形管；先圆后方；直接成方；成型

Abstract:In order to reduce the production cost of the large diameter rectangular pipe and meet the market demand of the construction industry,in the paper,it studied the production process and key process precautions of the"direct square"rectangular pipe.It pointed that should ensure the forming angle is greater than 90°during forming process,the arc radius of the forming angle is greater than that of the finished product,and it needs to design the special goose neck upper mould;the pre-welding process must increase the inner brace;during the finishing process,the upper roller must process the groove used for weld reinforcement through,preventing the weld reinforcement cause the surface collapse in the finishing process in finishing process.At the same time,the requirements for large diameter rectangular tube main production equipment were introduced,such as edge milling machine,forming machine,linking machine,finishing machine,Longmen mobile straightening machine etc.The comparison and research result showed that the“direct forming” process is with obvious advantages compared with the“first round then square” process,which can save the equipment and reduce the process,thus to reduce the production cost.

Key words:rectangular pipe;first round then square;direct square;forming

1 大直径矩形管“直接成方”工艺流程

目前，国际上生产大直径埋弧焊矩形管的工艺有2种：一种为“先圆后方”，另一种为“直接成方”。“直接成方”较“先圆后方”工艺效率高，节约成本。“直接成方”的工艺流程为：备料→超声波检查钢板质量→铣边（加工出焊接坡口）→成型（折制4角，制作开口矩形管胚）→预焊（合缝）→内焊→外焊→轧制（精整）→矫正（矫扭）→矫直→矩形管成品。其中，关键工序是成型、合缝和精整。

2 主要生产工序

2.1 成型

在“直接成方”的工艺流程中，成型是用成型机（折弯机）将经过铣边的钢板折成4个矩形角，使其成为开口的矩形管胚，如图1所示。4个角及圆弧半径应一致，误差必须在规定范围内；开口管胚合缝后4个边长也应在规定范围内。成型机使用的上模是特殊模具鹅颈模，属于尖模，与V形下模相配。成型一根矩形管只需压制4次，效率非常高。但是，如果采用“先圆后方”工艺，成型一根圆管需要压制几十次，要想减少压制次数，就需要使用圆弧上模，使用圆弧上模具必然会使成型机的压制力成倍增加，成型机压力的增加直接引起机器本身造价的升高。

图1 “直接成方”开口管胚的截面形状

“直接成方”成型工序需要注意几个问题：一是成型角均大于90°；二是成型角的圆弧半径大于成品的圆弧半径；三是设计专用鹅颈上模。

（1）成型角均大于90°。折弯机压制的4个角并不是越接近90°越好，经过多次试验证明，4个角为95°～100°较好。一旦出现某个角度小于90°，精整机将无法扩大这一角。

（2）成型角的圆弧半径大于成品的圆弧半径。矩形管4个角的圆弧半径大小与折弯模具尖端的圆弧半径有直接关系，根据矩形管国标，矩形管4个角的圆弧半径是根据矩形管壁厚给定，与矩形管的边长无关，设计上模时需特别注意4个角圆弧半径的数值，原则是宁大勿小。成型时如果4个角圆弧半径偏大，轧制（精整）工序可以进行纠正；如果4个角圆弧半径偏小，轧制（精整）工序无法纠正，就会引起钢管畸形，造成废品。

（3）设计专用的鹅颈上模。用一般的折弯机上模压制不出矩形管的4个圆弧角，必须用一种特殊形状上模与V形下模配合才能压制出矩形管的4个圆弧角，这种具有特殊形状的上模称为鹅颈上模。所以，矩形管的成型机都安装有鹅颈上模，而且一种鹅颈上模只能适用于几种规格的方管，这和圆管成型机使用圆弧上模的情形一样。所以，在设计鹅颈上模时要根据机器的使用范围统一考虑，尽可能减少模具套数，并充分考虑鹅颈上模对设备总高的影响。图2为用鹅颈上模压制矩形管示意图。

图2 鹅颈上模压制矩形管示意图

2.2 合缝（预焊）

在“直接成方”的工艺流程中，合缝（预焊）是关键工序，是将开口管胚进行合缝预焊，为内焊和外焊作准备。合拢辊布置如图3所示，图3中主机合拢头上的一组上压辊和两组侧合拢辊联合对管坯开口施加压力，使管坯开口合拢，当合拢的管缝行进到焊枪的下方位置时，焊机对管缝进行焊接。

图3 合拢辊布置示意图

由于开口两侧的钢板平面内应力小，出现错边倾向比圆管要大，所以，必须增加内撑辊装置。

设计合缝机时应注意的几个问题：

（1）支撑辊必须为平辊，应支撑在管坯底面的两侧，中间留出推板通道，支撑辊两端应超出矩形管外表面，至少应平齐。目的是为了防止底面中部受力过大引起底面中间位置塌陷（见图3）。

（2）侧合拢辊必须支撑在侧面上方，且应有一定的摆动功能。这样一方面可以减小合缝力，另一方面可保证合拢辊母线与管胚表面相切。如果合拢辊母线不能与管坯表面相切，合拢辊母线与管坯表面必然相交，形成点接触，合拢力比较大时会伤害工件表面。

（3）合拢头上增加内撑辊，可防止错边。

（4）矩形钢管在生产过程中只有4个圆角处的材质发生塑性变形，内应力较大；4边板面的变形全是弹性变形，精整后弹性变形消除，内应力消失，板面塌陷难于消除。

2.3 精整（轧制）

在“直接成方”工艺流程中，精整（轧制）工序对管坯进行精整，使矩形钢管的形状符合相关标准要求。该工序相当于“圆变方”连续轧制工序的最后一个工序。

精整辊布置如图4所示，由2个水平主动平辊与左、右布置的2个被动立辊组成。为了防止焊缝余高在精整过程中造成上板面塌陷，上辊必须加工出焊缝余高通过槽。精整原理是：当矩形钢管通过精整辊时，精整辊对矩形管侧面的作用力迫使钢管4个圆角的材质发生变形，使钢管4个角趋近或等于90°，4个圆角的圆弧半径减小、边长增加。

图4 精整辊布置示意图

为了提高方管的精整质量，应做好以下工作：①保证铣边后钢板的宽度尺寸准确；②成型时压制4个圆角的分段尺寸要一致；③成型时压制的4个管角一定大于90°；④成型时压制的4个管角的圆角半径一定大于规定值；⑤方管的4个表面，无论是在输送、成型、合缝、内焊、外焊等工艺过程中不允许受力，严防表面塌陷。

3 “直接成方”生产线对主要设备的要求

矩形管生产线所需设备很多，包括生产、焊接、检验、物流运输等设备。其中，主要生产设备包括钢板铣边机、矩形管成型机、合缝（预焊）机、精整机（轧机）、龙门移动矫直机等。下面就“直接成方”矩形钢管生产线对几大主机的要求介绍如下。

3.1 钢板铣边机

“直接成方”矩形管生产线配置的钢板铣边机和油气输送管生产线或结构圆管生产线配置的钢板铣边机一样，都属于成熟产品，已经开始从全数控向智能化方向转变。

3.2 成型机

“直接成方”矩形管生产线配置的成型机实际就是普通折弯机配上鹅颈上模。矩形管成型机对自动送料装置的送料精度要求很高，它比圆管成型机对自动送料装置的送料精度要求高得多。所以，在设计矩形管成型机时，对送料装置的送料精度要特别关注。

3.3 预焊（合缝）机

“直接成方”矩形钢管生产线配置的预焊机是根据设备的使用范围计算上压辊和侧合拢辊的最大受力，然后按照圆管合缝机的结构进行设计。建议设计过程中使用ANSYS Worbench 12.0 Release软件进行受力分析和计算。

3.3.1 开口方钢合拢状态的受力分析

合缝时管坯截面受力状态如图5所示。从管坯截取一段作为研究对象，由于左、右两侧的受力对称，所以只对管坯左侧进行受力分析。图5中管坯左侧上方圆角处受到一个向管坯中心方向的作用力F1，管坯开口的板边平面上受到一个向下的力F2。在F1和F2同时（或分别）作用下，管坯左侧的两个圆角发生变形，开口板边A1点向右摆动；右侧的状态与左侧的情况正好相反，开口板边A2点向左摆动，当A1与A2点重合时，开口合拢。

图5 合拢时管胚截面受力示意图

3.3.2 合拢辊和上压辊计算公式

假设方管的边长为a，4个圆角的外圆弧半径为R，钢板的厚度为h，当量合拢长度为b，σ为最大许用应力，则截面C－C的惯性矩为

截面C－C的抗弯模量为

合拢辊的作用力F1对圆角2“C点”的转矩为

上压辊左侧压力F2对圆角1“C点”的转矩为

合拢辊的作用力F1满足

上压辊左侧压力F2满足

需要注意的是：①当量合拢长度b是指真正合拢长度与合拢影响长度一半之和；②F1和F2能够满足关系式的数值仅仅是理论值，与实际数值相差甚远，以上叙述只是说明根据实际情况建模的过程。

3.4 精整机

设计精整机的第一步是根据设备的使用范围计算出其应该具备的最大轧制力，这是设计精整机最基础工作之一。

图6为精整机工作时管坯的受力情况示意图。四边的作用力是由轧辊提供的，作用点在轧辊与管坯相接触的母线上，作用力沿全长分布。由于管坯在轧制前四边为中间凸起的弧面（这是由于板面的弹性变形引起的），在轧制状态下，轧辊使管坯的弧线变成直线，说明轧辊提供了消除板面弹性变形的作用力。

图6 精整时管坯的受力情况示意图

由于此作用力较管坯塑性变形力小很多，可忽略不计。由此，精整过程中管体受力情况可简化为图7所示情况。

图7 精整时管坯的受力情况示意图

如将图7左上圆角的圆弧部分作为研究对象，圆角受力情况如图8所示。

图8 圆角受力情况示意图

图9 水平作用力失效后圆角受力情况示意图

如果将图8的水平作用力的平面固定，水平作用力自然失效，圆角的受力状态如图9所示。这样的状态与机械设计手册介绍的“曲杆弯曲”受力模型完全一样，该手册提供的计算公式，只要条件符合，可以直接使用。

假设一个轧辊对管坯一侧的圆角施加的压制力为P，轧辊对管坯的作用长度为b，钢板厚度为h，圆角的外圆半径为R1，圆角的内圆半径为R2，m－n截面的面积A=bh，圆角在任意截面m－n上法向力N=Psinθ，弯矩M=PR0sinθ，则圆角内外边缘的正应力分别为

外边：

内边：

发生塑性变形的条件为 σ1＞[σs]， σ2＞[σs]。

上述公式中，中性轴的圆弧半径r可以查表求出；此公式在R0/h≦5的情况下使用；根据[σs]计算F1的值为理论数值，实际数值比理论数值大很多，最可靠的方法是类比法；轧辊的作用力为 2 F1。

3.5 龙门移动矫直机

“直接成方”矩形管生产线配置的龙门移动矫直机和钢管（圆管）生产线配备的是同类产品。龙门移动矫直机是由龙门移动压力机发展来的，主要用于大型板材的矫平和超长轴类零件的矫直。21世纪初，龙门移动压力机开始应用于钢管生产企业，目前已成为矫直钢管的通用设备。

4 结束语

经过对“直接成方”矩形管生产工艺及设备的研究，并与“先圆后方”的生产工艺和设备进行比较，可以清楚看出，生产矩形钢管采用“直接成方”生产工艺要比采用“先圆后方”生产工艺有明显优势，能够节省设备，减少工序，降低矩形钢管的生产成本，而且技术成熟，建议开发更先进的“直接成方”生产工艺，满足对矩形钢管日益增长的需求。

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编辑：李红丽

Research on the Production Process and Equipment of“Direct Square”Rectangular Pipe