大徑厚比高頻焊管的開發(fā)

李　燁　陳　浮　冷洪剛　張　毅　孫廣東

(1.武鋼集團武漢江北鋼鐵有限公司鋼管廠　湖北　武漢：430415；

2.大連東華模具制造有限公司　遼寧　大連：116400)

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大徑厚比高頻焊管的開發(fā)

李燁1陳浮1冷洪剛1張毅1孫廣東2

(1.武鋼集團武漢江北鋼鐵有限公司鋼管廠湖北武漢：430415；

2.大連東華模具制造有限公司遼寧大連：116400)

摘要根據大徑厚比圓管的特點，選用高效、低成本的高頻焊接生產方式，采用線性排輥成型工藝，并通過對大徑厚比高頻焊管的銑邊、成型、焊接、定徑等工藝的研究，成功地開發(fā)出徑厚比≥100的高頻焊接圓管Φ508×5，該焊管成功地應用于太陽能光伏發(fā)電裝置。

關鍵詞徑厚比；高頻焊管；排輥成型；大徑厚比圓管

在高頻直縫焊管市場競爭日益激烈的今天，如何充分發(fā)揮現有技術和設備優(yōu)勢，開發(fā)出高性能、高附加值的高頻直縫焊管產品，是擺在高頻焊管企業(yè)面前的一道課題。對高頻直縫焊管一般而言，可穩(wěn)定生產圓管的外徑與壁厚之比(簡稱徑厚比)在15~90，這種圓管屬于普通圓管；當圓管的徑厚比≥90時，這種圓管屬于大徑厚比的特殊圓管，給生產帶來了極大的挑戰(zhàn)。然而，隨著鋼結構的快速發(fā)展，一些大徑厚比的鋼管因單位重量較輕、截面特性優(yōu)等特點越來越受到鋼結構設計者的親睞。如光伏電站中的太陽能板支撐桿所使用的鋼管要求風阻小、易于表面防腐，且在具有足夠的支撐強度的基礎上要求總重量輕，因而選用了大直徑的薄壁的Φ508×5鋼管，其徑厚比達101.6屬于特殊圓管。該鋼管若采用高效率、低成本的連續(xù)輥彎成型、高頻焊接的方式生產，必須解決這種特殊圓管生產過程中的邊部浪形、焊接不穩(wěn)定等難點。本文介紹了大徑厚比高頻焊接鋼管的生產技術特點及其應用。

1大徑厚比鋼管的生產技術特點

采用連續(xù)輥彎成型及高頻焊接的方式直接生產所需的圓管是一種常用的高效、低成本的圓管生產方式[1]。但是，對于Φ508×5這樣的特殊鋼管，其直徑相對較大，而壁厚相對較小，屬于大徑厚比鋼管。如果采用傳統(tǒng)的連續(xù)輥彎成型及高頻焊接的方式直接生產此類鋼管存在以下問題：

(1)所用的原料鋼帶相對來說寬而薄，銑邊時難以保證帶鋼的精確寬度和邊部的質量；(2)此類鋼管在輥彎成型的過程中管坯邊緣位移量較大，極易拉伸而出現邊浪，且成型極不穩(wěn)定，難以保證管坯成型質量；(3)由于管坯邊浪較多、成型不穩(wěn)定，致使高頻焊接不穩(wěn)定，難以保證焊接質量；(4)由于鋼管的口徑大、管壁薄，精確定徑難度大，產品的形狀尺寸難以滿足客戶要求。

采用HFW660線性排輥成型機組的短間距排輥和可調整曲率半徑的內成型輥等特殊功能，對成型工藝進行優(yōu)化，合理確定變形量和成型底線的下山量，可以保證薄壁鋼管的綜合質量。

2大徑厚比鋼管的工藝研究

2.1大徑厚比鋼管技術指標及對原料要求

大徑厚比鋼管Φ508×5的技術要求為：直徑偏差±2.5mm(管端±1.5mm)；橢圓度偏差小于5.0mm；壁厚偏差±0.35mm；直線度每6.0m長小于4.0mm；定尺長度及偏差6100mm/0~10mm；管端切斜≤4.4mm。管體的力學性能達到原料要求，焊縫的抗拉強度不低于470MPa。

考慮到使用環(huán)境及圓管成型、焊接的要求，大徑厚比鋼管Φ508×5所用原料的力學性能要求見表1。

表1　原料的力學性能要求

2.2工藝流程

對于太陽能支撐桿用鋼管Φ508×5的徑厚比高達101.6，遠高于一般高頻直縫焊管成型的鋼管。我公司根據多年的焊管生產經驗，充分利用國內外先進的冷彎成型技術，采用從德國引進的先進的排輥成型機組，完全能夠很好地解決該問題。其工藝流程確定為：

2.3銑邊工藝

良好的焊接邊部形態(tài)是高頻焊接的必備條件。要成功試制出超大徑厚比高精度的高頻直縫焊接圓管，必須保證有良好的焊接邊部和準確的成型帶寬。

然而，超大徑厚比圓管所需原料帶寬相對寬而薄，銑邊不當，容易造成帶寬不均勻、邊部翻邊等缺陷。在銑邊機處增加帶鋼中部和加部的壓緊裝置，以控制帶鋼的穩(wěn)定性；優(yōu)化銑邊機的各參數，確定銑邊速度10~14m/min，銑邊機刀盤轉速選擇900~1100r/min，進刀量為0.30~0.40mm，單邊銑邊量為4mm，邊部角度為2°。經過銑邊工藝的改進，銑邊后的帶鋼邊緣整齊，表面相對光滑，無毛刺或破邊，完全符合高頻焊接的要求。

2.4成型工藝

焊接邊部的成型與圓管的焊接質量密切相關，焊接邊部的一致性直接影響焊接的穩(wěn)定性。針對大直徑薄壁管特點，采用彎邊機對焊接邊部進行彎曲變形(即彎邊)，將彎邊長度控制到成型板寬的1/10～1/12，以增加邊部在后面成型過程中的強度；成型半徑控制在擠壓處圓管半徑的1.1倍左右，以改善擠壓輥處的受力狀態(tài)，有利于焊接的穩(wěn)定性。

預成型和線成型是管坯成型的關鍵，該段采用的是排輥成型設備，其橫截面示意圖如圖1，包括多組位置可調短間距排列、對稱布置的邊成型輥、有兩個自由回轉圓弧半徑可調的內成型輥和能上下調整的底輥。結合排輥成型設備的特點，我們對帶鋼在排輥成型過程中不同階段的變形狀態(tài)進行分析，找出帶鋼在排輥成型過程中底部、邊部和過渡段的曲率變化規(guī)律，研制一套三半徑成型工藝，以達到帶鋼在成型過程的均勻變形。

圖1　排輥成型裝置橫截面示意圖

為了進一步減少帶鋼邊緣的拉伸變形，通常成型底線[2]采用下山法。傳統(tǒng)的下山法有重心點水平和邊緣線水平兩種基本成型法。重心水平下山法是帶鋼在成型過程中每個道次的橫斷面形狀重心點在同一水平線上 (見圖2)。該下山法的最大下山量一般不超過0.6D(D為鋼管直徑)，采用重心水平下山法對大直徑薄壁管控制邊部伸長量很有限，無法使邊部伸長變形控制在彈性范圍內，焊接邊部依然會形成浪邊。邊緣線水平下山法是將帶鋼在成型過程中每個道次的邊緣高度控制在同一水平線上 (見圖3)。這種下山法的最大下山量一般為1D，帶鋼邊緣的伸長得到了控制。但是，這種下山法使帶鋼底部產生較大的縱向延伸，焊接后的鋼管易形成竹節(jié)形狀，無法滿足標準要求。

圖2　重心點水平下山法

圖3　邊緣線水平下山法

圖4　綜合下山法

針對Φ508×5大直徑薄壁管成型特點，充分考慮管坯邊部形變及底部形變的協調，采用專業(yè)軟件進行應力、應變的分析與模擬，結合重心不變和邊緣線水平兩種下山法的優(yōu)點，設計出一種適用于排輥成型的綜合下山法(見圖4)，使下山量控制在0.9D左右，保證管坯底部和邊部的變形基本協調，從而消除邊部浪形、焊接鼓包和鋼管竹節(jié)狀問題。

綜上所述，超大徑厚比圓管成型工藝優(yōu)化為首先對帶鋼邊緣進行合理彎邊，然后在主體成型時使用軋制底線綜合下山法，可有效地解決邊部浪型、焊接鼓包和鋼管竹節(jié)狀等問題。

2.5定徑工藝

定徑設備采用四架四輥式等剛性機架，其中定徑第三架機架可作水平、垂直方向調整，用于對圓管進行矯直。對于大徑厚比的Φ508×5鋼管，因其直徑大而壁厚較薄，若采用較小的定徑率，圓管的橢圓度難以滿足產品的標準要求；若采用過大的定徑率，產品容易形成“梅花形”鋼管(見圖5)。一般的鋼管冷定徑的總定徑率在0.3%~1.5%，經研究和實踐發(fā)現，采用0.61%的總定徑率比較合適，且合理分配定徑各架的定徑率(見表2)，可生產出各項指標均達到用戶及技術標準要求的鋼管。

圖5　鋼管截面梅花形

架次定徑第一架定徑第二架定徑第三架定徑第四架總計定徑率(%)0.290.140.120.060.61

3大徑厚比鋼管性能檢測

3.1產品外觀尺寸

通過對上述問題的研究，采取一系列有效措施，終于成功研制開發(fā)出了超大徑厚比高頻直縫焊管Φ508×5，其外形尺寸等各項指標均達到用戶技術標準要求，尤其是較難控制的管端直徑尺寸，標準要求直徑偏差為±1.5mm，實際尺寸偏差為±0.7mm，遠高于標準的要求，具體檢測尺寸見表3。該產品前后三次批量生產，產品的成材率達90.12%，客戶使用非常滿意。

表3　成品尺寸檢測數據表　(單位：mm)

3.2產品的力學性能

對所生產的Φ508×5鋼管進行相關的力學性能實驗，管體的力學性能完全達到原料的要求，焊縫的抗拉強度不低于470MPa，且普遍高于母材的強度，部分實驗數據見表4。

表4　產品的力學性能檢測數據表

大徑厚比Φ508×5鋼管采用高頻直縫焊管的生產方式成功實現了批量生產，并供貨給某太陽能光伏發(fā)電裝置生產商使用。鋼管的各項性能指標不僅達到標準要求，而且很好地滿足了用戶的使用要求。

4結論

(1)采用本文介紹的排輥成型和特殊的綜合下山法工藝，成功解決大徑厚比高頻焊管的銑邊及成型技術難點。

(2)利用HFW660高頻直縫焊管生產機組，完全可以批量生產出大徑厚比的Φ508×5鋼管；該工藝生產效率高，生產成本低，產品質量完全滿足用戶要求。

參考文獻

[1]劉繼英,艾正青譯.冷彎成型技術手冊.北京:化學工業(yè)出版社,2009:418

[2]王先進，涂厚道.冷彎型鋼生產及應用[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994:188.

(責任編輯：李文英)

The Development of High Frequency

Welded Pipe with Large Radius-thickness Ratio

LI Ye1CHEN Fu1LENG Honggang1ZHANG Yi1SUN Guangdong2

(1.Pipe Mill of Jiangbei Company, WISCO, Wuhan 430415, Hubei;

2.Da Lian DongHua Mold Manufacturing Co. LTD, Dalian 116400, Liaoning)

Abstract:Based on the characteristics of high frequency welded pipes with large radius-thickness ratio, a highly efficient welding production mode with low cost was applied in this project. Adopting linear cage roll forming process, and through research of milling, molding, welding, sizing process of making the large diameter-thick ratio of high frequency welded pipe, the researchers successfully developed the high frequency welded pipe 508 x 5 with a diameter thickness ratio of 100 or more 5, the welded tube was successfully applied to solar energy photovoltaic devices.

Key words:radius-thickness ratio; high frequency welded pipe; cage roll forming; pipe with large radius-thickness ratio

作者簡介：李燁(1966～),男,高級工程師.E-mail： ly091188@163.com

基金項目：武鋼集團江北公司2014年重點科研項目

收稿日期：2015-08-10修回日期：2015-10-28

中圖分類號：TG335.75

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3524(2015)04-0001-04