高頻鋼管成型技術在國際鋼管行業的地位
高頻鋼管成型技術按時間段和成型方式發展的三個階段 , 即早期的輥式成型技術( roll forming )、排輥成型技術( cage forming )和 FFX成型技術( flexible forming excellent)。本文詳細論述了各成型技術的發展過程以及優缺點。通過對比分析指出，隨著各行業對焊管品種、質量、成本的要求越來越高，在今后相當一段時間內新建和改造焊管機組時，應 選 FFX成型技術。
高頻鋼管成型技術包括粗成型和精成型兩部分 , 它是高頻鋼管生產技術的核心 , 如果鋼帶在粗成型和精成型階段成型質量不好或成型不到位 , 是很難生產出高質量焊管的。因此成型技術決定了高頻鋼管的產量、品種、質量、原料和軋輥消耗,是焊管設備設計制造部門和使用部門十分關心的問題。
1 輥式成型技術
輥式成型技術其粗成型和精成型采用二輥式水平機架 ,在水平機架之間設置一些立輥機架。對尺寸較大的焊管,為了提高變形質量 , 減少速度差 ,軋輥采用組合輥。由于設備空間受限因素少 , 適應性較大 , 既可生產薄壁焊管 , 也適合生產厚壁鋼管 , 這種輥式成型技術使用了很長時間 。 但每生產一種尺寸焊管要求一套軋輥 , 因此焊管品種規格越多 , 軋輥數量越多 , 費用也越大。在沒有快速換輥裝置的條件下 , 換輥時間很長 , 一般需要 1～2 個班工作時間 , 使生產效率降低 , 產品成本提高 。因此不適應小批量、多品種焊管生產。
2.排輥成型技術
2.1技術概述
針對輥式成型技術存在的問題 , 為了減少輥式成型機軋輥數量 , 降低費用 , 縮短換輥時間 ,美國 Torrance 公司 先推出了在輥式成型機的粗成型段中采用可以部分通用軋輥的排輥成型( cage? forming ) 原始技術 。到了 60年代末期 , 美國 Yoder 公司對其進行了改進 , 由于當時設備不很完善 , 軋輥調整比較困難 ,? 排輥成型技術只用于生產中直徑焊管 。隨著時間的推移 , 經過不斷發展 , 設備結構更加完善 ,到 70 年代后期 ,排輥成型技術的使用范圍也逐步擴大到小直徑焊管。
2. 2 技術優點
( 1) 粗成型軋輥數量減少 , 降低了軋輥費用和換輥時間 。排輥成型技術的粗成型機一般由 2架水平輥式機架與許多外排輥和內輥組成 , 對于產品范圍內的所有焊管尺寸 , 1機架的軋輥通常情況只需要一套 , 但 2 機架的軋輥和內輥就需要有幾套。這和輥式成型機相比 , 軋輥數量減少了 , 投資也相應減少了。
(2) 提高了焊管質量 。由許多小直徑排輥代替了輥式成型機的大直徑水平輥 , 軋輥表面線速度差減少了 , 改善了鋼帶邊部拉伸作用 , 提高了焊管邊部的質量。
(3)縮短了換輥時間 , 提高了產量 。粗成型軋輥和內排輥盡管有幾套 , 但不是每更換一種直徑的焊管就要換輥 。精成型機和定徑機廣泛采用等剛性機架和快速換輥裝置 , 換輥時間由過去的1～2個班大大地縮短為幾十分鐘 。換輥時間縮短 , 提高了產量 , 因此排輥成型技術不僅在中直徑焊管生產中得到普及 , 而且在小直徑焊管生產中也得到推廣。可以說 20世紀 80 年代中期以后 , 是排輥成型技術大發展時期。
2.3 存在的問題
1.粗成型變形減弱是焊管產生缺陷的根源 。由于片面追求軋輥共用性以減少軋輥數量和換輥次數 , 因此減少了排輥成型的水平輥機架(breakdown stand), 使原本由水平輥機架變形的變形量 , 較多地轉移到排輥段和精成型機上 。 排輥段由許多外排輥和一些內輥組成 , 外排輥主要是通過對鋼帶外表面施加壓力使其變形 , 內輥使鋼帶內表面變形 。由于共用性的要求 ,外排輥和內輥沒有孔型,加上空間上的限制 , 軋輥尺寸小 , 內輥調整困難 ; 外排輥和內輥對鋼帶局部施壓 , 使鋼帶變形不均勻 , 邊部很大區域成為變形死區;外排輥和內輥尺寸小,剛性差 , 對于厚度大和材質強度高的鋼帶 , 變形程度受到了限制 , 難以達到充分塑性變形的目的 , 變形死區更嚴重 , 鋼帶容易反彈 。這些是排輥成型技術造成焊管很多缺陷和隱患的根源。
2.粗成型變形不充分 , 增加了精成型機、定徑機的數量 。在高頻鋼管生產中 , 鋼帶邊部的變形狀態對焊接質量的影響極大 。 好的鋼帶開口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 , 而且這個變形要求在粗成型階段完成 。 而排輥成型技術由于水平輥機架減少 , 在粗成型階段是很難做到的 , 只好將變形放到排輥段和精成型機上 , 但在排輥段 , 由于設備結構上的原因也很難保證 , 結果是焊接后的焊管圓度差 。為了改善焊管圓度 , 要求增加精成型機和定徑機數量 , 所以目前世界上主要三家公司生產的排輥成型機 , 其精成型機和生產圓管時的定徑機數量都是 3架和 4架。盡管精成型機架數量增加了 , 但是粗成型后由于鋼帶開口管筒邊部的 V 形角度得不到有效的變形控制 。厚度較大的焊管進入精成型機孔型中時,和導向碟片(fin ) 的角度有較大的差異 , 在精成型機的壓力下 , 鋼帶開口管筒邊部側面產生劇烈的局部塑性變形 , 使鋼帶邊部異常增厚 。在鋼帶厚度較大 ( > 12.7 mm ) 時 , 這不僅破壞銑邊后已形成的鋼帶邊部側面形狀 , 影響焊接質量 , 也會在焊接時形成很大的內毛刺 , 造成內毛刺刮除困難 , 降低內毛刺刀壽命 , 同時材耗也加大 。水平輥機架變形量減少 , 加之排輥成型機架中的外排輥和內輥沒有孔型 , 它對鋼帶變形形狀的控制能力很弱 。同時由于鋼帶自身不可避免地具有板形、尺寸以及材質上的不均勻性 , 力學性能也不可能保持絕對的對稱 , 因此在粗成型過程中鋼帶容易產生扭動不穩定現象 , 一旦出現扭動(不穩定) 現象 , 一旦出現扭動現象 , 很難在精成型中得到糾正 , 嚴重時往往無法進行正常的成型和焊接。
3.焊管產品內在質量下降 。由于外排輥和內輥對鋼帶不均勻變形 , 使焊管材質局部加工硬化程度增大 , 殘余應力大并且分布不均勻 。 盡管在外形尺寸上能夠符合產品要求 , 但材質性能相對鋼帶母材已發生了較大變化 , 焊管內在的韌性、延伸性、耐應力腐蝕性能等都受到了損害 , 這對在寒冷地區使用的高鋼級管線管和要求抗腐蝕介質的套管影響很大。
4.推力不足 , 焊接速度不穩定 。在高頻鋼管成型過程中 , 完全依靠軋輥傳動所提供的推力使鋼帶克服變形抗力并保持焊接速度的穩定 。由于水平機架減少 , 使得克服變形的推力降低 , 特別在鋼帶厚度大、材質強度高的情況下 , 容易出現推力不足的現象 , 鋼帶成型速度產生波動 。為了彌補推力不足 , 穩定焊接速度 , 也要求增加精成型機數量。
5.設備剛性差 , 厚壁和高強度焊管難生產 。與早期的比較 , 現在的排輥成型機中使用了許多內輥 , 但內輥數量增多以后也會產生一些問題 。 先 , 由于空間的限制 , 內輥尺寸很小 , 如610 ( 24 in ) 高頻焊機的內輥直徑 大僅有 200 mm左右 , 輥面寬度也在 100 mm 以下 , 這樣小尺寸內輥容易在鋼帶內表面造成局部的高應力區和壓痕。同時由于空間限制 , 內輥的支持裝置只能采用懸臂結構 , 內輥強度和剛度不足。這個問題是排輥成型技術的普遍難題 , 限制了這種成型機生產高強度和厚壁焊管。如 610(24 in) 排輥成型機 ,對 X60鋼級的焊管,當直徑為 610 mm 時,壁厚一般在 19 mm 以下;對 X70 鋼級的焊管,壁厚在 16 mm 以下;對 X80鋼級的焊管, 大壁厚僅12～13 mm 。
其次,為了適應不同尺寸焊管生產 ,必須安裝調整機構對這些內輥進行調整 ,或者采用許多尺的內輥對應焊管尺寸。采用調整機構必然占用空間,更加削弱內輥強度和剛度。因此在大多數情況下按照焊管尺寸大小,只有分檔采用不同尺寸內輥 ,這樣就增加了換輥的工作量和軋輥成本
3 FFX成型技術(FFX flexible forming excellent ) 成型技術是于 20世紀 90年代后期開發的。設計人員根據十幾年的設計、制造和使用20多套 FF成型技術的實踐經驗 ,對直縫焊管成型工藝以及各類輥式和排輥成型技術進行科學系統分析 ,建立了合理的成型理論后開發出來的。FFX成型技術繼承了 FF 成型的部分技術 ,但與FF成型技術完全不同,在變形量分配方面借鑒了輥式成型的大變形特點,通過合理的成型方式 ,克服了輥式成型軋輥數量多,換輥時間長的缺點。FFX成型技術的先進性和主要特點如下:
( 1) FFX 成型機能生產鋼級更高、管壁更簿或更厚的焊管,這些產品用排輥成型工藝是很難生產的。
(2) FFX成型機的水平輥和立輥做到完全共用。在 FFX成型技術中,將漸開線軋輥形狀與卷貼輥彎方法有機地結合在一起 ,使水平輥和立輥做到完全共用。
（3）變形量分配合理 ,成形工藝穩定。在粗。成型階段 ,采用水平輥為主的大變形方式 ,使開口管筒側面的曲率接近成品焊管,精成型變型量小。這種合理地分配變形量 ,使 FFX成型技術的成型工藝穩定,克服了排輥成型由于變形量分配不合理而造成焊管缺陷的隱患。
(4)降低設備投資。由于粗成型水平輥對鋼帶的變形量大 ,克服變形的推力也大 ,因此在 FFX 成型機組中,精成型機架數量減至 2架 ,生產圓管時定徑機只要 3架。與排輥成型機相比,精成型機架數量和生產圓管時定徑機架數量各減少了 1架 ,降低了設備費用。?
（5）采用連續彎邊成形法 ,為高頻焊接創造 佳的條件。FFX成型技術由于采用連續彎邊成型法 ,充分利用水平輥和立輥各自的成型特點,使鋼帶斷面無變形死區,更重要的是有效地克服了由于鋼帶厚度和強度變化而使變形不充分產生的彈性回復現象 ,提高了成型的正確性和穩定性。粗成型后鋼帶邊部完全塑性變形,并且鋼帶開口管筒邊部的曲率和焊管成品很接近 ,精成型機變形量小,不會改變粗成型后開口管筒的形狀 ,為高頻焊接創造了 佳的條件。
(6) 提高了焊管質量。與排輥成型技術比較 , FFX 成型技術還在以下兩個方面提高了焊管質量: 先 ,在粗成型后 , 由于鋼帶開口管筒邊部的曲率和成品焊管很接近 ,不會在精成型階段和擠壓輥機擠壓階段產生錯位 ,即使是高強度、厚壁焊管,在精成型后鋼帶邊部的兩個側面也很容易做到平行 而非正 V 形或倒 V 形 對接 ,擠壓后在焊管內外表面形成均勻的毛刺 ,有利于毛刺的刮除和打斷。當鋼帶銑邊時,鋼帶兩側面銑成與鋼帶表面成 90 °排輥成型時,要求鋼帶兩側面和表面成 3 °～5 °,在成型過程中也不會受到破壞。同時在高頻焊機前可以采用較大的 V 形焊接角度 ,有效地防止灰斑等焊接缺陷。
另外 , 由于采用連續彎邊成型方法和獨特的軋輥孔型設計 ,鋼帶斷面的任何部位在粗成型中 多只承受一次變形 ,并且變形過渡銜接得很好 , 不易出現某一部位因多次受到軋輥的壓力而產生局部減薄。因此 ,變形均勻 , 內應力小,提高了焊管的內在質量。
(1)機械強度大、剛性高,可生產高強度厚壁鋼管。由于 FFX成型技術的變形以水平輥為主 , 而且粗成型后段的立輥也無需使用內輥來控制變形 ,因此設備結構上容易實現高強度和高剛度 ,可以生產高強度厚壁鋼管。
(2)柔性和剛性兼備 ,適應性強。由于 FFX 成型機變形具有柔性和剛性兼備的特點,不僅適合于生產高精度焊管、高合金不銹鋼焊管和低合金高強度鋼焊管,也適用于生產薄壁和厚壁焊管。如 610 (24 in) FFX 成型機 ,不僅可生產 <219 mm×2.5 mm 和 <610 mm ×6.0 mm 薄壁焊管,也可生產 <219 mm×16.0 mm 和 <630 mm ×22 mm 厚壁焊管。據了解目前世界上各種類型的排輥成型機 ,都不能生產上述薄壁和厚壁鋼管,也很少采用排輥成型機生產不銹鋼焊管。
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