直缝焊管F-F-X成型原理

zhangyongguang · 发表于 2012-8-29 10:00:40

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F-F-X是英语的缩写，代表弯曲—成型—系统控制的意思。
直缝焊管的辊压弯曲成型一般都需经过三种基本弯曲工序：开式实弯，开式自由弯，闭口自由弯。随着在线中频正火工艺的成熟，直缝焊管的生产越来越向大规格，厚管壁，高钢级的方向发展，在一些以前都属于无缝钢管的产业领域，如汽车传动管，锅炉压力管，石油套管，油汽输送管等，高钢级，高质量的直缝焊管正在大规模地被采用，取代大量耗能的无缝钢管。与此同时，大规格，厚管壁，高钢级的产品特点，对于焊管的辊弯成型也提出了越来越高的要求。
到现在为止，焊管机组的弯曲成型工艺一直在不断地进步，近五十年来，弯曲成型工艺经历了三个阶段的技术进步：连续弯曲法——圆弧弯边法——组合成型法。连续弯曲法是从管坯的边缘部分开始弯曲，从边缘起连续的向中心弯曲，传统机组采用的弯曲成型工艺都是连续弯曲法；圆弧弯边法是对管坯的全长进行整体的弯曲，弯曲的曲率分道次从大到小，排辊机组采用的弯曲成型工艺就是圆弧弯曲法；组合成型法是将管坯的边缘部分进行连续弯曲，对管坯的中间段和连接段进行圆弧弯曲，F-F-X机组采用的弯曲成型工艺就是组合弯曲法。
（1）传统成型连续弯曲法是一直以来使用最多的传统成型方式，在采用传统成型方式时，一般都是采用连续弯曲法对边缘部分进行实弯，用立辊进行辅助的自由弯曲，然后进入闭口孔型进行整体弯曲。我国多数50，76，89，114，273等焊管机组，基本上都是采用的传统成型方式。
这种方式的优点是实弯段较充分，机组传动力分布较为均匀。但是，由于其孔型基本没有兼容性，一种规格的钢管需要用一套模辊来成型，在同一台机组上要生产多种规格，不同壁厚的钢管，所需要的成型模辊用量很大。以273机组为例，通常一台国产机组价格为250万元左右，配置一种模辊需要20吨，如采用Gr15作为模辊材料，约30000/T，约需投入60万元；如采用9Cr2Mo作为模辊材料，约45000/T，约需90万元。如要在这台机组上生产10~15种规格，每种规格要增加7~10吨模辊，约需200~300万元。在钢管生产企业里，一台投入生产三、五年的焊管机组，其模辊投资往往等于甚至于大大超过机组设备的投资。以致很多生产企业为了节约模辊投资，只能在生产不同壁厚的管材时，共用一套模辊。可是，当我们需要生产高钢级高要求的管子时，厚径比对于成型有关键性的影响，这种忽略厚度间隙的成型方式，导致了管材质量的不稳定。
同时，采用这种传统的成型方式，换一次辊需要较长的时间，对于大于273以上规格的大型焊管机组，每次换辊都需要停机一到二个班，而且在现时没有专用换辊设备的条件下，换辊基本上靠操作工人用手工形式换辊，这是很艰难繁重，危险费力的工作。换辊停机时间过长，也是影响机组效率的重要因素。
  如果说，模辊的合理性是机组产品质量的生命线，那么，模辊的兼容性则是企业市场竞争的生命线。根据权威部门的报告，我国现有直缝焊管产业是市场化程度很高的产业，换句话说，是竞争非常激烈的产业。特别是中小型机组，现有国内机组的装机容量，到2004年止，已超过市场需求量的50%以上，这个事实说明，我们的所有钢管生产企业，都将在严酷的竞争机制下生存。能不能接小批量，多品种的单子，能不能做高钢级，高等级的管子，这是企业在日益激烈的市场竞争中有没有竞争力的标记。正是在这种情况下，由奥钢联开发的焊管排辊成型技术才应运而生，并在我国得到了迅猛发展和推广。这种排辊成型的技术，在成型前道达到了一定程度的模辊兼容，以同一套模辊成型一定范围内所有型号规格的钢管，受到世界上所有钢管生产厂家的欢迎。仅仅二十年时间，在世界范围内所有的焊管生产企业中，排辊成型就得到了极广泛的应用推广。
  （2）排辊成型排辊成型采用圆弧弯曲法的方式。排辊成型的生产方式在直缝焊管的生产中占有重要地位。排辊成型的基本特征是：立辊排辊化，以尽可能地扩大模辊的兼容性。
排辊成型的最明显的特征，是它设置了一个特别的排辊群。有了这组排辊群，就可以很方便地根据成型管径来调节辊位，排辊机组的成型路线也比传统的机组要大大缩短，这是排辊机组的优势。但是，由于排辊群主要采用自由弯曲，对于厚径比较大，钢级较高的管子成型就比较困难，这是由排辊成型的性质所决定的。排辊成型的主要优点是它的兼容性，它也有着自己的缺陷。
归结起来，排辊成型有以下七个方面的缺陷：
  1 由于实弯不充分，导致板材两端部的弯曲成型性较差，特别是对于薄壁管的成型，常常造成失稳，容易产生波浪形，影响钢管焊接和成型质量。
2 排辊成型的一个显著特征是：它有一组由许多小立辊按一定角度布排而成的排辊群。这组排辊群成型间隔很紧凑，这是因为排辊群成型是一种自由弯曲，自由弯曲的特点是材料的弹复量很大。为了减少弹复对成型的影响，它只能做得很紧凑，因此排辊群都无法设置动力传动装置。因为排辊群没有动力驱动，这对于如高钢级材料，（如X60,J55,N80等）；表面磨擦系数小的材料；厚径比大的材料等就会造成强推的现象。
3 由于排辊组成型段较长而且无法实弯压紧，管坯材料极易在其间发生左右滚动，常因此而使得成型中心线走偏。
4 为了避免滚动，往往多用导向立辊来限制其成型位置，结果是常常使得板材两端部异常地增厚，而且这种增厚，从最边部向内呈梯形分布，焊接后很难清除管子的内外毛刺。
5 为使得机组增加驱动力，只能增加初成型段的上下辊作推动，不均匀的巨大推力使两端部成型性变差并失稳，尤其是薄壁管成型更为明显。
6 成型高强度钢级时，由于材料的弹性回复极大，排辊群的自由弯曲使得管坯呈现长宽比较大的椭圆形，使得第一道闭口孔型难以进入，造成管坯的边缘和钢管的表面擦伤。
7 大量导向辊的应用，使得每次换辊和调整变得十分困难。
（3）F-F-X成型 F-F-X成型是一种组合成型法方式，是在上世纪八十年代，由日本中田制作所和东京大学经过近十年的研究和实践，提出的新的成型方式。F-F-X是英语“弯曲-成型-系统”的第一个字母的字头，F-F-X开创了一种完全新的圆管成型模式。这种成型方式，将管子的弯曲成型作为一个互相联系，互相影响的系统，它将实弯，空弯有机地组合起来，开发了独创性的渐开线模辊成型系统和全数字化控制系统。近十年来，已在世界上近十个国家有关厂家使用了中田制作所的机组，从Φ219机组到Φ610机组，我国徐州光环，中油天宝，华北油田等单位都已引进了日本中田的机组，并取得了很好的成效。实践证明，这种成型方式具有系统可控制，高精确度的优点。
它的主要特点是：
1 采用了初轧段上下模辊可调角度的独特机构，最大限度地利用了上下模辊的实弯成型面，这种可调角度的机构制作精度极高，采用了机—液联动的控制方式；
2 采用了独特的渐开线成型模辊和卷贴式成型方式。其中渐开线成型模辊曲线复盖了相当大范围内的管径，卷贴式的成型方式适应了因材质不同而造成的弹复调节量变化，能够特别方便而快速地调节因材质和厚度而造成的变化。
3 以有限元技术作为成型技术的研究基础，使得冷弯成型从经验逐渐成为具有一定理论基础的学科，从根本上将经验上升到理论，消除了仅凭经验操作生产的落后状况。
4 采用了CAE系统进行系统化设计，采用了数字化控制方式，大大提高了焊管机组生产自动化，准确化的程度。
5 由于采用可调式的机组结构和渐开线模辊，大大提高了机组的兼容性，其生产的管材直径范围可达1：3，厚径比可达1﹪-10﹪。相比之下，排辊成型只能达到管径范围1：1.6, 厚径比2﹪-5﹪左右。
中田制作所的现有机组，采用了边缘连续弯曲的成型方式，产品曲率成型准确，高钢级成型时的弹性回复量小，端部成型好，闭口孔进入顺畅，机组动力分配均匀合理。根据华北油田Φ508机组初次调试的情况，机组仅用一个班的时间，就调试成型了合格的管子。
日本中田设计的F-F-X成型机组，创新了两个重大的主要技术：可调节角度的机组结构，渐开线的成型模辊。
  在成型工艺上，中田所采用了组合成型弯曲的工艺：
（一）.一到二道的可调式辊架,弯曲两端部.(2平)
这是第一道实弯工序，W弯曲（俗称打头），打头工序关系到整个钢管的成型。弯曲曲率太小，则会造成所谓的“桃子头”，弯曲曲率过大，又会造成“苹果凹”。一旦产生这两种成型缺陷，对于钢管质量都是致命的，无法通过闭口成型段和精整段来改变。因为经过实弯以后的地方，会有“冷硬化”的效应，其抗弯曲强度会极大地提高，而延伸性则会下降一半左右。冷硬化使得我们只能考虑：必须在打头阶段就将管端弯曲到成品管的曲率，而在生产实践中，同一型号的钢材也会有强度和材质的差别，要真正弯到准确的管端R是很困难的，需要即时地进行调整。这种即时调整在传统机组和排辊机组中是无法实现的，因为它们的模辊都是已定R的，一旦发现W打头的R太大或者太小，就只能换辊来解决，现有按API标准和国家标准生产的管子规格，同一直径就有４～５种壁厚，同一管径就有几种钢级，要按这些规格来做模辊是不可能的。F-F-X成型正是解决了这个技术关键。
W成型弯曲时，整个料长分为中间弯曲段，端部弯曲段，直线连结段三个部分，在弯曲时，如何分配互相之间的线长比例有很大的学问。一般要求其比例为40：10：50，在设计辊型时，由于要考虑模辊的兼容性，会使得端部弯曲段变短，而太短的端部弯曲段对于后道成型及焊接不利。
（二）.三到四道的实弯辊群,保证管材边缘部实弯长度占圆周长50﹪左右，近来一些F-F-X成型机组已采取了多道W成型弯曲，有效地保证了管坯的实弯长度。(3平)
（三）.四到五道立辊群,采用渐开线辊型,(4立)
  这个立辊群吸收了排辊群的优点，但是它采用了渐开线辊型来成型，缩短了自由空弯的长度，这也是一项很重要的创新。它对于因为钢级不同，板厚不同而造成的不同弹复量，能够极为方便地进行调整，而且一套模辊能够覆盖到1：10的管径规格范围。这一点正是对生产厂家最有意义的模辊兼容性，它不但减少了生产厂家对模辊的投资，而且能够适应小批量、多品种、高钢级、高等级的市场需求，经过近年来国内有关厂家的实际使用，证明效果很好。中田机组的渐开线立辊群，本质上是一组可调节，而且有很大适应范围的排辊群，但它大大缩短了自由弯曲的间距。
（四）.三到四道闭口成型.(4万1立)
  闭口成型属于空弯成型。其特点是：模辊一般不能兼容；成型力较大；入口时如果不能基本成圆，对表面容易造成挤擦伤。
  闭口成型时，管胚不能在孔型中左右滑动，边部不能因孔径收缩而变厚，管子表面不能擦伤，这不但需要前道实空弯准确圆整，而且闭口孔型必须采取特殊有效的技术措施，不能采用单纯的圆形孔型。
（五）.高频焊接.(1导1焊)
  高频焊接是利用高频电流的集肤效应和邻近效应，使得钢板的端部在极短的时间内熔化，经过挤压后使表面的氧化层和杂质被挤出，基材则融为一体。高频电流是相对我们正常工业交流50Hz的频率来说的，它频率一般是从50KHz到450KHz。高频焊接分为感应焊和接触焊两种方式。感应焊是用感应圈使高频电流在板材边部聚集，它在焊接时功率输出损耗较大，但是较为稳定，焊接熔化后的焊缝平滑，特别对薄壁和高精度管材的焊接有利。接触焊是采用接触式电极使高频电流在边部聚集，它的焊接效率较高，省电，适合于普通焊管和厚壁管的生产，但是表面焊缝毛刺较高，并且质量不大稳定。
高频焊接是焊管生产质量控制的主要环节。它的质量好坏受许多因素的影响，一般认为由八个主要因素：（1）频率。正常的情况，厚板应采用较低的频率，薄板则要采用较高的频率；（2）会合角。会合角是指钢板两边进入焊接区时的角度，它约在2°到6°，厚板应取大一些的角，薄板则取小一些的角。（3）焊接方式（4）输入功率（5）管坯坡口（6）焊接速度。一般来说，6mm以上厚板成型速度应在每分钟15m之内，3mm到6mm以下薄板的成型速度可在15m到40m。（7）阻抗器（8）挤压力。
高频焊接的质量好坏，与操作者对整个机组机、电系统的了解深度有关，积累调整的经验需要操作者对高频焊接原理有透彻地理解。焊好一根管子，需要机组速度，会合角，挤压力，电流，频率等因素的最佳协调。一个好的高频调整工，就是一个好的电工，一个好的机修工。
（六）.定径精整.(1扭4万)
  定径过程是一个精确的空弯成型过程，每一道次的定径量要根据管材的直径和壁厚准确选取。
（七）.校直/校扭.(2土耳其头1矫扭转辊)
（八）.切断.（铣切飞锯）
（九）.平头,水压,矫直.
  中田式的成型弯曲工艺,有其先进之处。特别是多道次的W成型弯曲边部，缩短了立辊群的成型段，保证了高钢级材料和厚径比很大或很小的管材成型。在中田机组上，已能成型Φ35x0.6mm和Φ114x12mm的管子，材质包括X80管线钢,1Cr18Ni9Ti的不锈钢管等。冷弯成型时，由于其中参与变形的因素极为复杂，生产同一直径的管子时，也会由于材质，速度，调整力的大小等因素而变化，F-F-X成型的方式，正是为此提供了一个可以随时方便而准确调整的控制平台。
  冷弯成型中，影响成型结果的主要因素是弹性回复，特别是厚径比和材质，对弹复比有最重大的作用，如端部成型，弹复比控制不好，那就一定会造成“桃子头”或“苹果凹”，这是保证生产高等级管子产品质量的关键。
  FF-X成型还充分考虑到了成型各道次的均匀推力，排辊成型由于其推力无法平均布置，以致造成强压和强挤，导致局部壁厚不均和加工硬化。
  必须指出，中田新的F-F-X成型工艺的采用，是建立在二个基础之上的：机组设备的精密制造；数字化的自动控制。没有这二点作为基础，其工艺是很难实现的。
  现时国内许多机组生产厂家为了多接订单，声称都是实行了F-F-X的成型方式，其实都是名不副实，只是在成型排列上作了一些变动，而在模辊设计和控制方式上并没有什么变化和创新。从徐州光环1990年于日本引进国内第一台F-F-X成型的Φ219机组以来，国内机组生产厂家都未能进行过系统性的研究，甚至连仿造都未能成功地做过一台。这表明我国在直缝焊管生产的研究上，与国外还有着相当的差距。
  我们认为，F-F-X成型对于直缝焊管，特别是ERW高钢级管线钢的成型，是十分重大而必须的技术进步，现有生产机组大多既不能适应市场小批量多品种的需要，也不能适应类似石油套管等高钢级管线钢的生产。F-F-X成型技术是先进的，那么是不是它就已经很完美了呢？不。从中田机组的生产实践，从F-F-X成型的理论设计，都还反映出了有待改进的地方。
F-F-X成型，给我们一个重要的启迪：它是一种新的成型方式，更是一种新的思维方式——系统论的思维方式。它针对现有各种冷弯成型的方式，提出了一种系统性的改进，取得了很大的成功。
从排辊成型技术到F-F-X成型技术，都是从外国人那里传到我们国内来的，发明这两种成型技术，既不需要尖端的工艺，也不需要特殊的材料，为什么我们这个世界焊管生产大国没有一个企业有类似的创新发明呢？这从根本上反映了我们国家不管是国营或是民营，不同性质的企业都有一个共同的弱点：在技术创新上认识不足，投入不足。与国外同类企业相比，我们国家焊管制造企业在技术创新上的投入只有人家的数十分之一，甚至百分之一，做了数十年的老牌企业都没有一点自己的技术积累和创新。一方面，中国从2005年的统计情况来看，在数量上已经是世界钢管生产大国，但至今都只能生产技术含量上低层次的、低端的产品；另一方面，现有机组的产能却已大大超过市场需求，国内所有的ERW钢管生产厂家都将在更严酷的竞争条件下生存。
中国与美，日等西方发达国家之间的差距，从根本上来说，并不仅仅是尖端技术上的差距，更多的是象机械设备，材料，制造工艺等等这些基础上的差距。经过近三十年的改革开放，我们已经逐步形成了社会主义的市场化体制，也从开放的国门看到了与世界的差距，我们要真正赶超世界的先进水平，还需要我们沉下心来，奋斗几代人来打基础。要使我们这种落后世界的局面得到根本改变，首先我们企业家的思想观念需要有一个根本的改变和进步。我们需要从制造厂家到生产单位出自内心的愿望，为了企业长远的发展，为了国家整体的根本利益而紧密合作，动员一大批有热情，有抱负，有才华的工程技术人员，从机组制造的精度等级，到冷弯成型的工艺，到数字化的电控等各个方面，系统地攻克这些难关。

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