直縫焊管F-F-X成型原理

zhangyongguang

直縫焊管F-F-X成型原理
6 T, i! v# [" y* t! EF-F-X是英語的縮寫，代表彎曲—成型—系統控制的意思。
& V  I. _6 F( }" {/ D! f. Q直縫焊管的輥壓彎曲成型一般都需經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，直縫焊管的生產越來越向大規格，厚管壁，高鋼級的方向發展，在一些以前都屬于無縫鋼管的產業領域，如汽車傳動管，鍋爐壓力管，石油套管，油汽輸送管等，高鋼級，高質量的直縫焊管正在大規模地被采用，取代大量耗能的無縫鋼管。與此同時，大規格，厚管壁，高鋼級的產品特點，對于焊管的輥彎成型也提出了越來越高的要求。
! `+ l0 v/ I0 D到現在為止，焊管機組的彎曲成型工藝一直在不斷地進步，近五十年來，彎曲成型工藝經歷了三個階段的技術進步：連續彎曲法——圓弧彎邊法——組合成型法。連續彎曲法是從管坯的邊緣部分開始彎曲，從邊緣起連續的向中心彎曲，傳統機組采用的彎曲成型工藝都是連續彎曲法；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彎曲，對管坯的中間段和連接段進行圓弧彎曲，F-F-X機組采用的彎曲成型工藝就是組合彎曲法。
（1）傳統成型   連續彎曲法是一直以來使用最多的傳統成型方式，在采用傳統成型方式時，一般都是采用連續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50，76，89，114，273等焊管機組，基本上都是采用的傳統成型方式。
* P1 z; n& R7 c3 B' ~這種方式的優點是實彎段較充分，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，一種規格的鋼管需要用一套模輥來成型，在同一臺機組上要生產多種規格，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10~15種規格，每種規格要增加7~10噸模輥，約需200~300萬元。在鋼管生產企業里，一臺投入生產三、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備的投資。以致很多生產企業為了節約模輥投資，只能在生產不同壁厚的管材時，共用一套模輥。可是，當我們需要生產高鋼級高要求的管子時，厚徑比對于成型有關鍵性的影響，這種忽略厚度間隙的成型方式，導致了管材質量的不穩定。
# p  t1 \2 W7 B: V) K. I同時，采用這種傳統的成型方式，換一次輥需要較長的時間，對于大于273以上規格的大型焊管機組，每次換輥都需要停機一到二個班，而且在現時沒有專用換輥設備的條件下，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。
, A1 ]* ~" S9 M% r* M5 e/ g  如果說，模輥的合理性是機組產品質量的生命線，那么，模輥的兼容性則是企業市場競爭的生命線。根據權威部門的報告，我國現有直縫焊管產業是市場化程度很高的產業，換句話說，是競爭非常激烈的產業。特別是中小型機組，現有國內機組的裝機容量，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企業，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，由奧鋼聯開發的焊管排輥成型技術才應運而生，并在我國得到了迅猛發展和推廣。這種排輥成型的技術，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所有型號規格的鋼管，受到世界上所有鋼管生產廠家的歡迎。僅僅二十年時間，在世界范圍內所有的焊管生產企業中，排輥成型就得到了極廣泛的應用推廣。
$ \; V* z5 k9 ?) S2 T+ {  （2）排輥成型   排輥成型采用圓弧彎曲法的方式。排輥成型的生產方式在直縫焊管的生產中占有重要地位。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。
排輥成型的最明顯的特征，是它設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成型管徑來調節輥位，排輥機組的成型路線也比傳統的機組要大大縮短，這是排輥機組的優勢。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所決定的。排輥成型的主要優點是它的兼容性，它也有著自己的缺陷。
% u: a( y( n& q# G歸結起來，排輥成型有以下七個方面的缺陷：
  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，容易產生波浪形，影響鋼管焊接和成型質量。
/ g) o7 m  {# p1 E& g2 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量很大。為了減少彈復對成型的影響，它只能做得很緊湊，因此排輥群都無法設置動力傳動裝置。因為排輥群沒有動力驅動，這對于如高鋼級材料，（如X60,J55,N80等）；表面磨擦系數小的材料；厚徑比大的材料等就會造成強推的現象。
, G: D6 O" i  J+ l' y' U2 K( k3 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生左右滾動，常因此而使得成型中心線走偏。
4 為了避免滾動，往往多用導向立輥來限制其成型位置，結果是常常使得板材兩端部異常地增厚，而且這種增厚，從最邊部向內呈梯形分布，焊接后很難清除管子的內外毛刺。
4 Z* x6 \- L8 i. _/ ^2 R, U5 Y5 為使得機組增加驅動力，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，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極大，排輥群的自由彎曲使得管坯呈現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。
7 大量導向輥的應用，使得每次換輥和調整變得十分困難。
- \1 G% |, `3 C  x/ X& F. @（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”的第一個字母的字頭，F-F-X開創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系，互相影響的系統，它將實彎，空彎有機地組合起來，開發了獨創性的漸開線模輥成型系統和全數字化控制系統。近十年來，已在世界上近十個國家有關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，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可控制，高精確度的優點。
. Q: }! _: M4 p4 g, e它的主要特點是：
: b& |% ~- t: Y  g' S+ v% t( I1 采用了初軋段上下模輥可調角度的獨特機構，最大限度地利用了上下模輥的實彎成型面，這種可調角度的機構制作精度極高，采用了機—液聯動的控制方式；
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蓋了相當大范圍內的管徑，卷貼式的成型方式適應了因材質不同而造成的彈復調節量變化，能夠特別方便而快速地調節因材質和厚度而造成的變化。
3 以有限元技術作為成型技術的研究基礎，使得冷彎成型從經驗逐漸成為具有一定理論基礎的學科，從根本上將經驗上升到理論，消除了僅憑經驗操作生產的落后狀況。
3 {% M, ~& _% l2 A4 _1 u+ J2 Y: b4 @4 采用了CAE系統進行系統化設計，采用了數字化控制方式，大大提高了焊管機組生產自動化，準確化的程度。
* n) v8 b) A3 x# Q5 由于采用可調式的機組結構和漸開線模輥，大大提高了機組的兼容性，其生產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。
/ D7 O6 v: B! R) b中田制作所的現有機組，采用了邊緣連續彎曲的成型方式，產品曲率成型準確，高鋼級成型時的彈性回復量小，端部成型好，閉口孔進入順暢，機組動力分配均勻合理。根據華北油田Φ508機組初次調試的情況，機組僅用一個班的時間，就調試成型了合格的管子。
日本中田設計的F-F-X成型機組，創新了兩個重大的主要技術：可調節角度的機組結構，漸開線的成型模輥。
2 |; ]3 ^2 D, z& s6 P* _7 u  在成型工藝上，中田所采用了組合成型彎曲的工藝：
. }) {& r, Z% L, R8 b（一）.一到二道的可調式輥架,彎曲兩端部.(2平)
& j& s& `* Z4 F- \- P7 X2 F/ v這是第一道實彎工序，W彎曲（俗稱打頭），打頭工序關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”。一旦產生這兩種成型缺陷，對于鋼管質量都是致命的，無法通過閉口成型段和精整段來改變。因為經過實彎以后的地方，會有“冷硬化”的效應，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，而在生產實踐中，同一型號的鋼材也會有強度和材質的差別，要真正彎到準確的管端R是很困難的，需要即時地進行調整。這種即時調整在傳統機組和排輥機組中是無法實現的，因為它們的模輥都是已定R的，一旦發現W打頭的R太大或者太小，就只能換輥來解決，現有按API標準和國家標準生產的管子規格，同一直徑就有４～５種壁厚，同一管徑就有幾種鋼級，要按這些規格來做模輥是不可能的。F-F-X成型正是解決了這個技術關鍵。
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。
（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)
（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新。它對于因為鋼級不同，板厚不同而造成的不同彈復量，能夠極為方便地進行調整，而且一套模輥能夠覆蓋到1：10的管徑規格范圍。這一點正是對生產廠家最有意義的模輥兼容性，它不但減少了生產廠家對模輥的投資，而且能夠適應小批量、多品種、高鋼級、高等級的市場需求，經過近年來國內有關廠家的實際使用，證明效果很好。中田機組的漸開線立輥群，本質上是一組可調節，而且有很大適應范圍的排輥群，但它大大縮短了自由彎曲的間距。
) [( p, e8 A& c2 h0 x  t（四）.三到四道閉口成型.(4萬1立)
% M# K1 x9 a+ j  t( r3 ]* V  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。
  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措施，不能采用單純的圓形孔型。
（五）.高頻焊接.(1導1焊)
  高頻焊接是利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，使得鋼板的端部在極短的時間內熔化，經過擠壓后使表面的氧化層和雜質被擠出，基材則融為一體。高頻電流是相對我們正常工業交流50Hz的頻率來說的，它頻率一般是從50KHz到450KHz。高頻焊接分為感應焊和接觸焊兩種方式。感應焊是用感應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，但是表面焊縫毛刺較高，并且質量不大穩定。
+ H* N' {$ O4 L8 @5 b) ^( c( w  f高頻焊接是焊管生產質量控制的主要環節。它的質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時的角度，它約在2°到6°，厚板應取大一些的角，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在每分鐘15m之內，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。
高頻焊接的質量好壞，與操作者對整個機組機、電系統的了解深度有關，積累調整的經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調。一個好的高頻調整工，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矯扭轉輥)
) ?6 g( K4 I6 g4 W3 n) T! Y（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雜，生產同一直徑的管子時，也會由于材質，速度，調整力的大小等因素而變化，F-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整的控制平臺。
  冷彎成型中，影響成型結果的主要因素是彈性回復，特別是厚徑比和材質，對彈復比有最重大的作用，如端部成型，彈復比控制不好，那就一定會造成“桃子頭”或“蘋果凹”，這是保證生產高等級管子產品質量的關鍵。
' \* @' d- h' \# C& R: K  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。
* A! B7 f* ]5 y1 b( O8 s  必須指出，中田新的F-F-X成型工藝的采用，是建立在二個基礎之上的：機組設備的精密制造；數字化的自動控制。沒有這二點作為基礎，其工藝是很難實現的。
  現時國內許多機組生產廠家為了多接訂單，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，而在模輥設計和控制方式上并沒有什么變化和創新。從徐州光環1990年于日本引進國內第一臺F-F-X成型的Φ219機組以來，國內機組生產廠家都未能進行過系統性的研究，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的研究上，與國外還有著相當的差距。
: m0 L: y) s; }  我們認為，F-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進步，現有生產機組大多既不能適應市場小批量多品種的需要，也不能適應類似石油套管等高鋼級管線鋼的生產。F-F-X成型技術是先進的，那么是不是它就已經很完美了呢？不。從中田機組的生產實踐，從F-F-X成型的理論設計，都還反映出了有待改進的地方。
  v% k6 G/ k% ^. j. D* \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——系統論的思維方式。它針對現有各種冷彎成型的方式，提出了一種系統性的改進，取得了很大的成功。
從排輥成型技術到F-F-X成型技術，都是從外國人那里傳到我們國內來的，發明這兩種成型技術，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大國沒有一個企業有類似的創新發明呢？這從根本上反映了我們國家不管是國營或是民營，不同性質的企業都有一個共同的弱點：在技術創新上認識不足，投入不足。與國外同類企業相比，我們國家焊管制造企業在技術創新上的投入只有人家的數十分之一，甚至百分之一，做了數十年的老牌企業都沒有一點自己的技術積累和創新。一方面，中國從2005年的統計情況來看，在數量上已經是世界鋼管生產大國，但至今都只能生產技術含量上低層次的、低端的產品；另一方面，現有機組的產能卻已大大超過市場需求，國內所有的ERW鋼管生產廠家都將在更嚴酷的競爭條件下生存。
* ^  `7 c9 F! Z中國與美，日等西方發達國家之間的差距，從根本上來說，并不僅僅是尖端技術上的差距，更多的是象機械設備，材料，制造工藝等等這些基礎上的差距。經過近三十年的改革開放，我們已經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。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單位出自內心的愿望，為了企業長遠的發展，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，有才華的工程技術人員，從機組制造的精度等級，到冷彎成型的工藝，到數字化的電控等各個方面，系統地攻克這些難關。