直縫焊管F-F-X成型原理

zhangyongguang

直縫焊管F-F-X成型原理
F-F-X是英語的縮寫，代表彎曲—成型—系統(tǒng)控制的意思。
直縫焊管的輥壓彎曲成型一般都需經(jīng)過三種基本彎曲工序：開式實彎，開式自由彎，閉口自由彎。隨著在線中頻正火工藝的成熟，直縫焊管的生產(chǎn)越來越向大規(guī)格，厚管壁，高鋼級的方向發(fā)展，在一些以前都屬于無縫鋼管的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如汽車傳動管，鍋爐壓力管，石油套管，油汽輸送管等，高鋼級，高質(zhì)量的直縫焊管正在大規(guī)模地被采用，取代大量耗能的無縫鋼管。與此同時，大規(guī)格，厚管壁，高鋼級的產(chǎn)品特點，對于焊管的輥彎成型也提出了越來越高的要求。
到現(xiàn)在為止，焊管機組的彎曲成型工藝一直在不斷地進步，近五十年來，彎曲成型工藝經(jīng)歷了三個階段的技術(shù)進步：連續(xù)彎曲法——圓弧彎邊法——組合成型法。連續(xù)彎曲法是從管坯的邊緣部分開始彎曲，從邊緣起連續(xù)的向中心彎曲，傳統(tǒng)機組采用的彎曲成型工藝都是連續(xù)彎曲法；圓弧彎邊法是對管坯的全長進行整體的彎曲，彎曲的曲率分道次從大到小，排輥機組采用的彎曲成型工藝就是圓弧彎曲法；組合成型法是將管坯的邊緣部分進行連續(xù)彎曲，對管坯的中間段和連接段進行圓弧彎曲，F(xiàn)-F-X機組采用的彎曲成型工藝就是組合彎曲法。
（1）傳統(tǒng)成型   連續(xù)彎曲法是一直以來使用最多的傳統(tǒng)成型方式，在采用傳統(tǒng)成型方式時，一般都是采用連續(xù)彎曲法對邊緣部分進行實彎，用立輥進行輔助的自由彎曲，然后進入閉口孔型進行整體彎曲。我國多數(shù)50，76，89，114，273等焊管機組，基本上都是采用的傳統(tǒng)成型方式。
  t: {" o4 f" L: Q8 v2 q1 [這種方式的優(yōu)點是實彎段較充分，機組傳動力分布較為均勻。但是，由于其孔型基本沒有兼容性，一種規(guī)格的鋼管需要用一套模輥來成型，在同一臺機組上要生產(chǎn)多種規(guī)格，不同壁厚的鋼管，所需要的成型模輥用量很大。以273機組為例，通常一臺國產(chǎn)機組價格為250萬元左右，配置一種模輥需要20噸，如采用Gr15作為模輥材料，約30000/T，約需投入60萬元；如采用9Cr2Mo作為模輥材料，約45000/T，約需90萬元。如要在這臺機組上生產(chǎn)10~15種規(guī)格，每種規(guī)格要增加7~10噸模輥，約需200~300萬元。在鋼管生產(chǎn)企業(yè)里，一臺投入生產(chǎn)三、五年的焊管機組，其模輥投資往往等于甚至于大大超過機組設(shè)備的投資。以致很多生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)約模輥投資，只能在生產(chǎn)不同壁厚的管材時，共用一套模輥�？墒牵�當我們需要生產(chǎn)高鋼級高要求的管子時，厚徑比對于成型有關(guān)鍵性的影響，這種忽略厚度間隙的成型方式，導致了管材質(zhì)量的不穩(wěn)定。
; u( L& Q1 P2 t) q5 Q" C同時，采用這種傳統(tǒng)的成型方式，換一次輥需要較長的時間，對于大于273以上規(guī)格的大型焊管機組，每次換輥都需要停機一到二個班，而且在現(xiàn)時沒有專用換輥設(shè)備的條件下，換輥基本上靠操作工人用手工形式換輥，這是很艱難繁重，危險費力的工作。換輥停機時間過長，也是影響機組效率的重要因素。
, m  c& e* q7 b" |  如果說，模輥的合理性是機組產(chǎn)品質(zhì)量的生命線，那么，模輥的兼容性則是企業(yè)市場競爭的生命線。根據(jù)權(quán)威部門的報告，我國現(xiàn)有直縫焊管產(chǎn)業(yè)是市場化程度很高的產(chǎn)業(yè)，換句話說，是競爭非常激烈的產(chǎn)業(yè)。特別是中小型機組，現(xiàn)有國內(nèi)機組的裝機容量，到2004年止，已超過市場需求量的50%以上，這個事實說明，我們的所有鋼管生產(chǎn)企業(yè)，都將在嚴酷的競爭機制下生存。能不能接小批量，多品種的單子，能不能做高鋼級，高等級的管子，這是企業(yè)在日益激烈的市場競爭中有沒有競爭力的標記。正是在這種情況下，由奧鋼聯(lián)開發(fā)的焊管排輥成型技術(shù)才應(yīng)運而生，并在我國得到了迅猛發(fā)展和推廣。這種排輥成型的技術(shù)，在成型前道達到了一定程度的模輥兼容，以同一套模輥成型一定范圍內(nèi)所有型號規(guī)格的鋼管，受到世界上所有鋼管生產(chǎn)廠家的歡迎。僅僅二十年時間，在世界范圍內(nèi)所有的焊管生產(chǎn)企業(yè)中，排輥成型就得到了極廣泛的應(yīng)用推廣。
  （2）排輥成型   排輥成型采用圓弧彎曲法的方式。排輥成型的生產(chǎn)方式在直縫焊管的生產(chǎn)中占有重要地位。排輥成型的基本特征是：立輥排輥化，以盡可能地擴大模輥的兼容性。
$ C% \. l. V& F2 F& Z  u4 y排輥成型的最明顯的特征，是它設(shè)置了一個特別的排輥群。有了這組排輥群，就可以很方便地根據(jù)成型管徑來調(diào)節(jié)輥位，排輥機組的成型路線也比傳統(tǒng)的機組要大大縮短，這是排輥機組的優(yōu)勢。但是，由于排輥群主要采用自由彎曲，對于厚徑比較大，鋼級較高的管子成型就比較困難，這是由排輥成型的性質(zhì)所決定的。排輥成型的主要優(yōu)點是它的兼容性，它也有著自己的缺陷。
歸結(jié)起來，排輥成型有以下七個方面的缺陷：
  e7 d! h7 L% f9 c8 o, [2 ]  1 由于實彎不充分，導致板材兩端部的彎曲成型性較差，特別是對于薄壁管的成型，常常造成失穩(wěn)，容易產(chǎn)生波浪形，影響鋼管焊接和成型質(zhì)量。
2 排輥成型的一個顯著特征是：它有一組由許多小立輥按一定角度布排而成的排輥群。這組排輥群成型間隔很緊湊，這是因為排輥群成型是一種自由彎曲，自由彎曲的特點是材料的彈復(fù)量很大。為了減少彈復(fù)對成型的影響，它只能做得很緊湊，因此排輥群都無法設(shè)置動力傳動裝置。因為排輥群沒有動力驅(qū)動，這對于如高鋼級材料，（如X60,J55,N80等）；表面磨擦系數(shù)小的材料；厚徑比大的材料等就會造成強推的現(xiàn)象。
& X5 w5 Z- q8 K, v3 由于排輥組成型段較長而且無法實彎壓緊，管坯材料極易在其間發(fā)生左右滾動，常因此而使得成型中心線走偏。
2 h* s. ^/ G: `6 ~; l4 為了避免滾動，往往多用導向立輥來限制其成型位置，結(jié)果是常常使得板材兩端部異常地增厚，而且這種增厚，從最邊部向內(nèi)呈梯形分布，焊接后很難清除管子的內(nèi)外毛刺。
; D$ I* K2 T2 f5 U% \5 為使得機組增加驅(qū)動力，只能增加初成型段的上下輥作推動，不均勻的巨大推力使兩端部成型性變差并失穩(wěn)，尤其是薄壁管成型更為明顯。
6 成型高強度鋼級時，由于材料的彈性回復(fù)極大，排輥群的自由彎曲使得管坯呈現(xiàn)長寬比較大的橢圓形，使得第一道閉口孔型難以進入，造成管坯的邊緣和鋼管的表面擦傷。
1 G; g) h7 R& N* W, z7 大量導向輥的應(yīng)用，使得每次換輥和調(diào)整變得十分困難。
（3）F-F-X成型   F-F-X成型是一種組合成型法方式，是在上世紀八十年代，由日本中田制作所和東京大學經(jīng)過近十年的研究和實踐，提出的新的成型方式。F-F-X是英語“彎曲-成型-系統(tǒng)”的第一個字母的字頭，F(xiàn)-F-X開創(chuàng)了一種完全新的圓管成型模式。這種成型方式，將管子的彎曲成型作為一個互相聯(lián)系，互相影響的系統(tǒng)，它將實彎，空彎有機地組合起來，開發(fā)了獨創(chuàng)性的漸開線模輥成型系統(tǒng)和全數(shù)字化控制系統(tǒng)。近十年來，已在世界上近十個國家有關(guān)廠家使用了中田制作所的機組，從Φ219機組到Φ610機組，我國徐州光環(huán)，中油天寶，華北油田等單位都已引進了日本中田的機組，并取得了很好的成效。實踐證明，這種成型方式具有系統(tǒng)可控制，高精確度的優(yōu)點。
0 T% K+ C' D! B9 \* e9 c& b它的主要特點是：
  i' v, E" J$ I8 S8 Q) d1 采用了初軋段上下模輥可調(diào)角度的獨特機構(gòu)，最大限度地利用了上下模輥的實彎成型面，這種可調(diào)角度的機構(gòu)制作精度極高，采用了機—液聯(lián)動的控制方式；
6 t( O% y& G( m& ?' a. B0 ]2 采用了獨特的漸開線成型模輥和卷貼式成型方式。其中漸開線成型模輥曲線復(fù)蓋了相當大范圍內(nèi)的管徑，卷貼式的成型方式適應(yīng)了因材質(zhì)不同而造成的彈復(fù)調(diào)節(jié)量變化，能夠特別方便而快速地調(diào)節(jié)因材質(zhì)和厚度而造成的變化。
4 O* ?7 Z6 u6 x' L' e" L3 以有限元技術(shù)作為成型技術(shù)的研究基礎(chǔ)，使得冷彎成型從經(jīng)驗逐漸成為具有一定理論基礎(chǔ)的學科，從根本上將經(jīng)驗上升到理論，消除了僅憑經(jīng)驗操作生產(chǎn)的落后狀況。
. m3 C% h: a) i) R( t2 Z4 O, |4 采用了CAE系統(tǒng)進行系統(tǒng)化設(shè)計，采用了數(shù)字化控制方式，大大提高了焊管機組生產(chǎn)自動化，準確化的程度。
5 由于采用可調(diào)式的機組結(jié)構(gòu)和漸開線模輥，大大提高了機組的兼容性，其生產(chǎn)的管材直徑范圍可達1：3，厚徑比可達1﹪-10﹪。相比之下，排輥成型只能達到管徑范圍1：1.6, 厚徑比2﹪-5﹪左右。
中田制作所的現(xiàn)有機組，采用了邊緣連續(xù)彎曲的成型方式，產(chǎn)品曲率成型準確，高鋼級成型時的彈性回復(fù)量小，端部成型好，閉口孔進入順暢，機組動力分配均勻合理。根據(jù)華北油田Φ508機組初次調(diào)試的情況，機組僅用一個班的時間，就調(diào)試成型了合格的管子。
, }7 v0 Q- k$ H% M0 p8 X# P日本中田設(shè)計的F-F-X成型機組，創(chuàng)新了兩個重大的主要技術(shù)：可調(diào)節(jié)角度的機組結(jié)構(gòu)，漸開線的成型模輥。
( \8 t* O; [" W  在成型工藝上，中田所采用了組合成型彎曲的工藝：
& o5 U/ C' H  O! O# i6 x（一）.一到二道的可調(diào)式輥架,彎曲兩端部.(2平)
# s  R8 }5 _- u. \: ]) @# _這是第一道實彎工序，W彎曲（俗稱打頭），打頭工序關(guān)系到整個鋼管的成型。彎曲曲率太小，則會造成所謂的“桃子頭”，彎曲曲率過大，又會造成“蘋果凹”。一旦產(chǎn)生這兩種成型缺陷，對于鋼管質(zhì)量都是致命的，無法通過閉口成型段和精整段來改變。因為經(jīng)過實彎以后的地方，會有“冷硬化”的效應(yīng)，其抗彎曲強度會極大地提高，而延伸性則會下降一半左右。冷硬化使得我們只能考慮：必須在打頭階段就將管端彎曲到成品管的曲率，而在生產(chǎn)實踐中，同一型號的鋼材也會有強度和材質(zhì)的差別，要真正彎到準確的管端R是很困難的，需要即時地進行調(diào)整。這種即時調(diào)整在傳統(tǒng)機組和排輥機組中是無法實現(xiàn)的，因為它們的模輥都是已定R的，一旦發(fā)現(xiàn)W打頭的R太大或者太小，就只能換輥來解決，現(xiàn)有按API標準和國家標準生產(chǎn)的管子規(guī)格，同一直徑就有４～５種壁厚，同一管徑就有幾種鋼級，要按這些規(guī)格來做模輥是不可能的。F-F-X成型正是解決了這個技術(shù)關(guān)鍵。
W成型彎曲時，整個料長分為中間彎曲段，端部彎曲段，直線連結(jié)段三個部分，在彎曲時，如何分配互相之間的線長比例有很大的學問。一般要求其比例為40：10：50，在設(shè)計輥型時，由于要考慮模輥的兼容性，會使得端部彎曲段變短，而太短的端部彎曲段對于后道成型及焊接不利。
8 V/ L6 b" ^( C: L& p（二）.三到四道的實彎輥群,保證管材邊緣部實彎長度占圓周長50﹪左右，近來一些F-F-X成型機組已采取了多道W成型彎曲，有效地保證了管坯的實彎長度。(3平)
  M/ K% p7 s! D6 Z（三）.四到五道立輥群,采用漸開線輥型,(4立)
  這個立輥群吸收了排輥群的優(yōu)點，但是它采用了漸開線輥型來成型，縮短了自由空彎的長度，這也是一項很重要的創(chuàng)新。它對于因為鋼級不同，板厚不同而造成的不同彈復(fù)量，能夠極為方便地進行調(diào)整，而且一套模輥能夠覆蓋到1：10的管徑規(guī)格范圍。這一點正是對生產(chǎn)廠家最有意義的模輥兼容性，它不但減少了生產(chǎn)廠家對模輥的投資，而且能夠適應(yīng)小批量、多品種、高鋼級、高等級的市場需求，經(jīng)過近年來國內(nèi)有關(guān)廠家的實際使用，證明效果很好。中田機組的漸開線立輥群，本質(zhì)上是一組可調(diào)節(jié)，而且有很大適應(yīng)范圍的排輥群，但它大大縮短了自由彎曲的間距。
（四）.三到四道閉口成型.(4萬1立)
. H! F, {' H! a) u% U7 W  閉口成型屬于空彎成型。其特點是：模輥一般不能兼容；成型力較大；入口時如果不能基本成圓，對表面容易造成擠擦傷。
( S# y* q% ~, D  d8 r  閉口成型時，管胚不能在孔型中左右滑動，邊部不能因孔徑收縮而變厚，管子表面不能擦傷，這不但需要前道實空彎準確圓整，而且閉口孔型必須采取特殊有效的技術(shù)措施，不能采用單純的圓形孔型。
4 g" }% t) _, l" O5 V& p- D' E（五）.高頻焊接.(1導1焊)
1 _) z+ |" z8 B9 o4 I+ c  高頻焊接是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使得鋼板的端部在極短的時間內(nèi)熔化，經(jīng)過擠壓后使表面的氧化層和雜質(zhì)被擠出，基材則融為一體。高頻電流是相對我們正常工業(yè)交流50Hz的頻率來說的，它頻率一般是從50KHz到450KHz。高頻焊接分為感應(yīng)焊和接觸焊兩種方式。感應(yīng)焊是用感應(yīng)圈使高頻電流在板材邊部聚集，它在焊接時功率輸出損耗較大，但是較為穩(wěn)定，焊接熔化后的焊縫平滑，特別對薄壁和高精度管材的焊接有利。接觸焊是采用接觸式電極使高頻電流在邊部聚集，它的焊接效率較高，省電，適合于普通焊管和厚壁管的生產(chǎn)，但是表面焊縫毛刺較高，并且質(zhì)量不大穩(wěn)定。
$ v$ d0 M7 }5 v: b2 s6 B. E0 F& `+ s高頻焊接是焊管生產(chǎn)質(zhì)量控制的主要環(huán)節(jié)。它的質(zhì)量好壞受許多因素的影響，一般認為由八個主要因素：（1）頻率。正常的情況，厚板應(yīng)采用較低的頻率，薄板則要采用較高的頻率；（2）會合角。會合角是指鋼板兩邊進入焊接區(qū)時的角度，它約在2°到6°，厚板應(yīng)取大一些的角，薄板則取小一些的角。（3）焊接方式（4）輸入功率（5）管坯坡口（6）焊接速度。一般來說，6mm以上厚板成型速度應(yīng)在每分鐘15m之內(nèi)，3mm到6mm以下薄板的成型速度可在15m到40m。（7）阻抗器（8）擠壓力。
高頻焊接的質(zhì)量好壞，與操作者對整個機組機、電系統(tǒng)的了解深度有關(guān)，積累調(diào)整的經(jīng)驗需要操作者對高頻焊接原理有透徹地理解。焊好一根管子，需要機組速度，會合角，擠壓力，電流，頻率等因素的最佳協(xié)調(diào)。一個好的高頻調(diào)整工，就是一個好的電工，一個好的機修工。
（六）.定徑精整.(1扭4萬)
  定徑過程是一個精確的空彎成型過程，每一道次的定徑量要根據(jù)管材的直徑和壁厚準確選取。
（七）.校直/校扭.(2土耳其頭1矯扭轉(zhuǎn)輥)
: V' s+ i- K) h% J（八）.切斷.（銑切飛鋸）
（九）.平頭,水壓,矯直.
  中田式的成型彎曲工藝,有其先進之處。特別是多道次的W成型彎曲邊部，縮短了立輥群的成型段，保證了高鋼級材料和厚徑比很大或很小的管材成型。在中田機組上，已能成型Φ35x0.6mm和Φ114x12mm的管子，材質(zhì)包括X80管線鋼,1Cr18Ni9Ti的不銹鋼管等。冷彎成型時，由于其中參與變形的因素極為復(fù)雜，生產(chǎn)同一直徑的管子時，也會由于材質(zhì)，速度，調(diào)整力的大小等因素而變化，F(xiàn)-F-X成型的方式，正是為此提供了一個可以隨時方便而準確調(diào)整的控制平臺。
$ M( `4 z( A, y  冷彎成型中，影響成型結(jié)果的主要因素是彈性回復(fù)，特別是厚徑比和材質(zhì)，對彈復(fù)比有最重大的作用，如端部成型，彈復(fù)比控制不好，那就一定會造成“桃子頭”或“蘋果凹”，這是保證生產(chǎn)高等級管子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。
- J6 N, s6 @" D: Q& _+ d1 j  FF-X成型還充分考慮到了成型各道次的均勻推力，排輥成型由于其推力無法平均布置，以致造成強壓和強擠，導致局部壁厚不均和加工硬化。
, C1 w/ M( X9 A6 F  必須指出，中田新的F-F-X成型工藝的采用，是建立在二個基礎(chǔ)之上的：機組設(shè)備的精密制造；數(shù)字化的自動控制。沒有這二點作為基礎(chǔ)，其工藝是很難實現(xiàn)的。
  現(xiàn)時國內(nèi)許多機組生產(chǎn)廠家為了多接訂單，聲稱都是實行了F-F-X的成型方式，其實都是名不副實，只是在成型排列上作了一些變動，而在模輥設(shè)計和控制方式上并沒有什么變化和創(chuàng)新。從徐州光環(huán)1990年于日本引進國內(nèi)第一臺F-F-X成型的Φ219機組以來，國內(nèi)機組生產(chǎn)廠家都未能進行過系統(tǒng)性的研究，甚至連仿造都未能成功地做過一臺。這表明我國在直縫焊管生產(chǎn)的研究上，與國外還有著相當?shù)牟罹唷?font class="jammer">/ Z  v  ^% W$ ~. O
  我們認為，F(xiàn)-F-X成型對于直縫焊管，特別是ERW高鋼級管線鋼的成型，是十分重大而必須的技術(shù)進步，現(xiàn)有生產(chǎn)機組大多既不能適應(yīng)市場小批量多品種的需要，也不能適應(yīng)類似石油套管等高鋼級管線鋼的生產(chǎn)。F-F-X成型技術(shù)是先進的，那么是不是它就已經(jīng)很完美了呢？不。從中田機組的生產(chǎn)實踐，從F-F-X成型的理論設(shè)計，都還反映出了有待改進的地方。
F-F-X成型，給我們一個重要的啟迪：它是一種新的成型方式，更是一種新的思維方式——系統(tǒng)論的思維方式。它針對現(xiàn)有各種冷彎成型的方式，提出了一種系統(tǒng)性的改進，取得了很大的成功。
從排輥成型技術(shù)到F-F-X成型技術(shù)，都是從外國人那里傳到我們國內(nèi)來的，發(fā)明這兩種成型技術(shù)，既不需要尖端的工藝，也不需要特殊的材料，為什么我們這個世界焊管生產(chǎn)大國沒有一個企業(yè)有類似的創(chuàng)新發(fā)明呢？這從根本上反映了我們國家不管是國營或是民營，不同性質(zhì)的企業(yè)都有一個共同的弱點：在技術(shù)創(chuàng)新上認識不足，投入不足。與國外同類企業(yè)相比，我們國家焊管制造企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新上的投入只有人家的數(shù)十分之一，甚至百分之一，做了數(shù)十年的老牌企業(yè)都沒有一點自己的技術(shù)積累和創(chuàng)新。一方面，中國從2005年的統(tǒng)計情況來看，在數(shù)量上已經(jīng)是世界鋼管生產(chǎn)大國，但至今都只能生產(chǎn)技術(shù)含量上低層次的、低端的產(chǎn)品；另一方面，現(xiàn)有機組的產(chǎn)能卻已大大超過市場需求，國內(nèi)所有的ERW鋼管生產(chǎn)廠家都將在更嚴酷的競爭條件下生存。
4 ]; ^. A9 S' L中國與美，日等西方發(fā)達國家之間的差距，從根本上來說，并不僅僅是尖端技術(shù)上的差距，更多的是象機械設(shè)備，材料，制造工藝等等這些基礎(chǔ)上的差距。經(jīng)過近三十年的改革開放，我們已經(jīng)逐步形成了社會主義的市場化體制，也從開放的國門看到了與世界的差距，我們要真正趕超世界的先進水平，還需要我們沉下心來，奮斗幾代人來打基礎(chǔ)。要使我們這種落后世界的局面得到根本改變，首先我們企業(yè)家的思想觀念需要有一個根本的改變和進步。我們需要從制造廠家到生產(chǎn)單位出自內(nèi)心的愿望，為了企業(yè)長遠的發(fā)展，為了國家整體的根本利益而緊密合作，動員一大批有熱情，有抱負，有才華的工程技術(shù)人員，從機組制造的精度等級，到冷彎成型的工藝，到數(shù)字化的電控等各個方面，系統(tǒng)地攻克這些難關(guān)。