王 軍， 任國慶， 陳 松， 張 濤

（華油鋼管有限公司 揚(yáng)州分公司， 江蘇 揚(yáng)州225000）

隨著油氣管道對接施工技術(shù)的進(jìn)步與完善，自動對焊和自動超聲檢測技術(shù)的應(yīng)用成為發(fā)展趨勢。 管道環(huán)焊縫自動超聲波檢測（AUT） 方法對鋼管的幾何輪廓和表面質(zhì)量提出了更高的要求，例如常見的螺旋埋弧焊管外圓輥痕缺欠會影響環(huán)焊縫驗(yàn)收時(shí)的AUT 檢測評判。 因此， 為適應(yīng)新的管道對接施工要求， 必須嚴(yán)格控制螺旋埋弧焊管輥痕深度。

螺旋埋弧焊管成型通常采用三輥彎板外包式成型器[1]， 鋼帶進(jìn)入成型器后以特定的成型角扭轉(zhuǎn)前進(jìn)， 鋼帶自由邊扭轉(zhuǎn)一周后與鋼帶遞送邊咬合形成了螺旋管坯。 由于三輥彎板成型器中的1#、3#成型輥的特定空間位置和成型轉(zhuǎn)角， 輥?zhàn)优c管坯的接觸區(qū)在輥?zhàn)有D(zhuǎn)中心線方向會產(chǎn)生不同程度的 “位置差”， 這是螺旋埋弧焊管產(chǎn)生輥痕的根本原因。 在螺旋埋弧焊管管坯成型過程中， 1#輥、 2#輥、 3#輥承受最主要成型力， 其余4#～8#成型輥僅輔助引導(dǎo)管坯成型， 對管坯施加的力較輕微， 僅產(chǎn)生輥印， 而不會產(chǎn)生輥痕， 因此本研究僅對1#輥、 3#輥產(chǎn)生的輥痕進(jìn)行討論分析。 目前降低螺旋埋弧焊管輥痕的有效方法是采用帶錐度的成型輥， 但如何確定輥?zhàn)渝F度仍然需要進(jìn)一步研究。 本研究利用三維軟件建立了螺旋成型器1#、 3#成型輥的設(shè)備模型和成型角44°～80°、 管徑508～1 422 mm的若干螺旋埋弧焊管管坯模型， 直觀地觀察了螺旋埋弧焊管成型過程中輥痕產(chǎn)生的原因， 通過不同錐度的成型輥對比， 得出了不同成型角度螺旋埋弧焊管適用的最佳成型輥錐度。

1 螺旋埋弧焊管輥痕形成原因

三輥彎板成型器的1#和3#成型輥分布于鋼帶下方、 管坯外部的5 點(diǎn)和7 點(diǎn)鐘位置， 2#彎板輥置于管坯內(nèi)部6 點(diǎn)鐘位置 （如圖1 所示）。 在設(shè)置1#、 3#成型輥的成型參數(shù)時(shí)， 為避免1#、 3#成型輥的輥架承受彎矩而破壞失效， 通常通過調(diào)節(jié)1#和3#輥的開檔距離和包角使輥?zhàn)又行呐c弧形座中心以及管坯中心三點(diǎn)位于同一平面上， 即1#輥、 3#輥的成型輥中心支撐面必須經(jīng)過管坯輪廓的中心線[2-4]。

由于設(shè)備結(jié)構(gòu)特性， 成型輥沿著與鋼管軸線平行的方向串列排列， 而螺旋埋弧焊管軸線方向與鋼帶行進(jìn)方向必然存在夾角， 這個(gè)夾角的銳角即為螺旋埋弧焊管的成型角β； 為引導(dǎo)鋼帶進(jìn)入成型器形成較好的螺旋管坯， 各空間位置的成型輥必須與鋼帶行進(jìn)方向一致， 因此1#、 3#成型輥以輥架中心在弧形座上相對鋼管軸線方向旋轉(zhuǎn)外輥角α外[5]。 然而隨著成型輥圍繞輥架中心旋轉(zhuǎn)， 鋼帶/管坯與每個(gè)成型平輥接觸區(qū)域從輥?zhàn)訖M截面上的外圓輪廓線逐漸轉(zhuǎn)為輥?zhàn)訕?biāo)高較高一側(cè)的“棱角區(qū)” 與鋼帶/管坯接觸， 此時(shí)管坯的接觸-受力區(qū)在輥?zhàn)有D(zhuǎn)中心線方向上 （即鋼帶-輥?zhàn)映休d支撐面方向）將產(chǎn)生不同程度的 “位置差” Δh （如圖2 所示）。 由于成型輥輥?zhàn)拥谋砻嬗捕冗h(yuǎn)高于鋼帶的硬度， 致使在成型載荷作用下成型輥壓入鋼帶/管坯， 且壓入深度深淺不一， 這是導(dǎo)致管坯經(jīng)過1#、 3#成型輥后產(chǎn)生輥痕的初步原因。這里需要指出的是， 1#、 3#成型輥的旋轉(zhuǎn)角度α外與螺旋埋弧焊管的成型角呈余角關(guān)系， 即鋼管成型角越小， 成型輥旋轉(zhuǎn)的角度就越大，造成這種 “位置差” Δh 就越大， 反之亦然。生產(chǎn)實(shí)踐中使用相同的成型輥， 生產(chǎn)相同規(guī)格、 材質(zhì)、 壁厚的螺旋埋弧焊管時(shí)， 成型角越小 （即1#、 3#成型輥轉(zhuǎn)外輥角越大） 的鋼管輥痕越明顯的現(xiàn)象驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

圖1 常見的螺旋埋弧焊管三輥彎板成型器中1#、3#成型輥的位置和結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 成型輥旋轉(zhuǎn)α外后輥面與鋼帶接觸區(qū)域在輥?zhàn)有D(zhuǎn)中心線方向上產(chǎn)生的位置差Δh 示意圖及三維模型圖

其次， 為了通過利用包辛格效應(yīng)降低螺旋埋弧焊管成型后的殘余應(yīng)力[6]， 以便更好地控制鋼管輪廓精度； 常見的三輥彎板式成型器成型過程中， 鋼帶進(jìn)入成型器前會通過導(dǎo)板輥、 0#輥、 2#輥進(jìn)行反向預(yù)彎。 為實(shí)現(xiàn)鋼帶成型前的反向預(yù)彎， 0#輥頂部標(biāo)高即鋼帶底面標(biāo)高和管坯標(biāo)高存在著一定的標(biāo)高差值ΔH （圖1）， 以便使0#輥與1#輥之間的鋼帶獲得與管坯相反的彎曲方向；但是這同時(shí)使得鋼帶進(jìn)入1#輥的臨近切入點(diǎn)相比管坯理論輪廓與1#輥的切點(diǎn)遷移了ΔL， 即鋼帶與1#輥的包覆區(qū)域更遠(yuǎn)離管坯中心， 更偏向鋼帶來料方向 （如圖3 所示）； 切入點(diǎn)的遷移還使1#輥與管坯/鋼帶的接觸區(qū)域相對擴(kuò)大； 結(jié)合前文中1#成型輥因旋轉(zhuǎn)α外引起的管坯與輥?zhàn)咏佑|區(qū)域在輥?zhàn)有D(zhuǎn)中心線方向上產(chǎn)生不同程度的“位置差” Δh， 鋼帶與1#輥接觸區(qū)偏向鋼帶來料方向增大了這種 “位置差” Δh 的絕對值， 引起的后果是1#輥對管坯造成的輥痕深度明顯超過3#輥造成的輥痕， 實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)（如圖4 所示）。

圖3 反向預(yù)彎使得鋼帶與1#輥的臨近切入點(diǎn)遷移示意圖

圖4 成型角為69°31′的某項(xiàng)目螺旋埋弧焊管管坯產(chǎn)生的輥痕對比照片

2 減輕螺旋埋弧焊管輥痕的措施

為有效降低螺旋埋弧焊管成型過程中產(chǎn)生的輥痕深度， 生產(chǎn)實(shí)踐中根據(jù)螺旋焊管成型角大小，采用外圓面呈特定錐度的成型輥降低輥痕深度[7]，尤其是1#成型輥。 其原理為利用錐形成型輥橫截面兩側(cè)在管坯-成型輥受力面方向的標(biāo)高差抵消前文中提到的管坯與輥?zhàn)咏佑|區(qū)的 “位置差”Δh， 即有意降低輥?zhàn)釉疚恢幂^高一側(cè)的“棱角區(qū)” 在受力方向的高度， 使輥?zhàn)油鈭A輪廓線兩側(cè)受力更均勻； 值得注意的是， 錐形成型輥外圓面的圓角要適當(dāng)增大， 防止圓角與錐形面相切段過渡不良引起新的輥痕。 平成型輥和錐形成型輥的外形結(jié)構(gòu)對比如圖5 所示。

圖5 平成型輥和錐形成型輥剖面示意圖

實(shí)際生產(chǎn)中為了便于定制的錐形輥?zhàn)蛹庸ず蜆?biāo)記取用， 輥?zhàn)油鈭A面一側(cè)的定位直徑D的尺寸通常以某個(gè)整數(shù)給定， 選用各錐度對應(yīng)的錐形輥外圓定位尺寸間的關(guān)系見表1。 需要注意的是， 由于1#、 3#成型輥在使用錐形輥?zhàn)咏档洼伜蹠r(shí)， 輥?zhàn)拥陌惭b方位是相反的： 即1#輥輥?zhàn)油鈭A面定位直徑較小的一側(cè)應(yīng)位于按照鋼帶前進(jìn)方向的左側(cè)， 而3#輥輥?zhàn)油鈭A面定位直徑較小的一側(cè)應(yīng)位于按照鋼帶前進(jìn)方向的右側(cè)。

表1 錐形成型輥外形定位尺寸對應(yīng)的輥?zhàn)油鈭A面錐度

3 成型輥錐度與鋼管成型角的關(guān)系

一直以來， 業(yè)內(nèi)雖然有使用錐形成型輥降低螺旋埋弧焊管輥痕的做法， 但輥?zhàn)渝F度與螺旋埋弧焊管的成型角存在怎樣的關(guān)系尚有待探討。 本研究使用solidworks 軟件建立了三輥彎板式成型機(jī)中的1#、 3#成型輥設(shè)備和多種成型角螺旋管坯的立體模型， 模擬螺旋埋弧焊管材質(zhì)、 管徑、 壁厚相同， 變量僅為成型輥輥?zhàn)油鈭A面錐度和鋼管成型角 （即1#、 3#成型輥旋轉(zhuǎn)角亦為變量） 情況下的輥痕情況。 借助軟件的透視功能， 可較為直觀地比對出不同成型角鋼管對應(yīng)的最佳成型輥外圓面錐度。 圖6 等視角顯示了使用該軟件模擬成型角為46°的某規(guī)格鋼管 （1#、 3#成型輥旋轉(zhuǎn)角約44°）， 在成型輥輥?zhàn)油鈭A面錐度從0°～4.151°， 錐角等差變化約0.46°時(shí)， 1#成型輥對管坯的“壓入” 情況， 并據(jù)此直觀地觀察到1#成型輥對管坯產(chǎn)生的輥痕范圍大小和輥痕深淺。

由圖6 可觀察到， 成型輥為平輥時(shí)， 輥?zhàn)油鈭A標(biāo)高較高一側(cè)的“棱角區(qū)” 對管坯的壓入弧長和深度最大 （圖6 （a） 中輥?zhàn)优c管坯接觸區(qū)深紅色區(qū)域）， 即此狀態(tài)下管坯產(chǎn)生的輥痕將最為明顯； 隨著輥?zhàn)油鈭A面錐度增大， 輥?zhàn)觾蓚?cè)對管坯的壓入弧長和深度差逐漸減少， 輥面錐度在2.31°～2.78°時(shí)這種差異逐漸歸零， 即此狀態(tài)下管坯與輥?zhàn)油鈭A/錐面均勻接觸， 輥痕趨于最??；而隨著輥?zhàn)油鈭A面錐度繼續(xù)增大， 輥?zhàn)油鈭A標(biāo)高較低一側(cè)的棱角開始先“壓入” 管坯， 這意味著管坯在輥?zhàn)油鈭A面較低一側(cè)又產(chǎn)生了輥痕。 由此可見， 特定的成型輥外圓面錐度僅適應(yīng)特定范圍內(nèi)成型角（對應(yīng)特定的成型輥旋轉(zhuǎn)角α外） 的螺旋埋弧焊管。

圖6 成型角為46°的螺旋埋弧焊管使用不同錐度成型輥產(chǎn)生的輥痕輪廓面積和深度模擬對比圖

需要指出的是， 上述模擬結(jié)果是以管坯的標(biāo)高恒定、 且管坯與1#、 3#成型輥的相對位置固定的情況下進(jìn)行的； 而46°成型角已接近常見螺旋鋼管在綜合考慮制造經(jīng)濟(jì)性和管型輪廓質(zhì)量因素時(shí)的最小成型角度[8]， 因此， 該結(jié)果可顯示常見螺旋埋弧焊管產(chǎn)生的最大輥痕情況。 筆者據(jù)此按相同的方法模擬了成型角44°～80°多個(gè)規(guī)格的螺旋埋弧焊管， 在1#成型輥和3#成型輥外圓面錐度按表1 漸變過程中輥?zhàn)訉芘鞯膲喝雲(yún)^(qū)域， 通過對比這些壓入?yún)^(qū)域的面積大小和深淺， 得出了不同成型角的螺旋埋弧焊管輥痕最淺時(shí)分別對應(yīng)的1#成型輥和3#成型輥輥?zhàn)油鈭A面錐度， 對比結(jié)果見表2。

表2 不同成型角的螺旋埋弧焊管輥痕最淺時(shí)對應(yīng)的1#、3#成型輥外圓面錐度

4 總 結(jié)

（1） 本研究提出一種使用三維軟件直觀地觀察比較各種成型角度下螺旋埋弧焊管管坯輥痕大小的方法： 即建立螺旋埋弧焊管三輥彎板成型器中1#、 3#成型輥和多種成型角的螺旋管坯的三維模型[9]， 根據(jù)不同管徑、 不同成型角設(shè)定1#、 3#成型輥的開檔、 包角和旋轉(zhuǎn)角， 在螺旋管坯模型和1#、 3#成型輥標(biāo)高固定的情況下， 通過改變成型輥輥?zhàn)油鈭A面錐度以模擬螺旋埋弧焊管成型狀態(tài)； 借助軟件的透視和干涉檢查功能， 在相同視角下對比觀察了不同外圓面錐度的1#、 3#成型輥 “壓入” 管坯產(chǎn)生的輥痕情況。

（2） 經(jīng)過交叉對比發(fā)現(xiàn)， 輥痕深淺與鋼管成型角密切相關(guān)； 同等變量條件下成型角越小， 造成的輥痕越深， 且同等變量條件下1#輥產(chǎn)生的輥痕深度和面積大于3#輥產(chǎn)生的輥痕。 這是因?yàn)槌尚推魅肟谔幏醋冃蔚匿搸б鹆虽搸c1#輥的臨近切入點(diǎn)向近似鋼帶來料方向的遷移。

（3） 通過對比得出了不同成型角的螺旋埋弧焊管輥痕最淺時(shí)對應(yīng)的1#、 3#成型輥外圓面錐度。

（4） 本研究的局限性在于模擬過程中所用的1#、 3#成型輥的尺寸參數(shù)、 鋼帶底面標(biāo)高和管坯標(biāo)高差值ΔH 大小、 鋼帶與1#輥臨近切入點(diǎn)的遷移量大小等因素均會影響輥痕模擬結(jié)果， 因此對于不同成型角螺旋埋弧焊管輥痕最淺時(shí)對應(yīng)的輥?zhàn)油鈭A面錐度的精確性和通用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。