大口徑鋼管在線熱擴徑機

孫念光，魏學榮，曹喜燕，閻善武

(1.陜西多倫科技發展有限公司，陜西 西安 710072;2.揚州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚州 225211)

0 前言

隨著國民經濟的發展，石化及電力行業對大口徑無縫鋼管的需求量日益增大。目前外徑Φ720 mm 以上的大口徑無縫鋼管生產主要是通過對斜軋穿孔后的空心管坯進行二次中頻加熱離線擴徑實現的。中頻加熱擴管需要對管坯邊加熱邊擴徑，因而存在加熱功率高、擴徑效率低、材料組織晶粒粗大的缺點。2010 年陜西多倫科技發展有限公司為江蘇一家用戶提供了一臺Φ1300 mm 大口徑鋼管在線熱擴徑機，此設備布置在斜軋穿孔機后面，利用熱軋穿孔后空心管坯的余熱進行在線擴徑，根據鋼管長度不同擴管時間控制在5～8 min，實現了大口徑無縫鋼管的短流程生產工藝。

1 成形工藝過程

鋼管在線擴徑主要分為制頭和擴徑兩個階段。制頭階段先用擋料裝置實現管坯軸向定位，主框架的對中裝置和托料輥保證管坯和推桿頂頭中心一致，主推油缸帶動頂頭前伸，完成鋼管的制頭工序，如圖1a 所示。

制頭完成后內支撐裝置前伸到已擴制管坯內部，外夾緊和內支撐裝置一起作用完成管坯的徑向夾緊，擋料裝置后退避讓，頂頭繼續前伸完成擴徑，如圖1b 所示。擴徑行程終了頂頭卸到擋料裝置上，推桿后退回初始位置，內支撐通過擋門裝置脫離成品管，成品管通過輸送輥道移出擴徑機。

圖1 鋼管在線熱擴徑工藝圖Fig.1 Process flow of online hot-expending steel pipe

2 設備組成及技術參數

圖2為Φ1300 mm 大口徑鋼管在線熱擴徑機。該大口徑鋼管在線熱擴徑機主要由主推油缸、推桿裝置、外夾緊裝置、內支撐裝置、主機架、V 型升降輥道、對中裝置、擋料裝置、潤滑系統、液壓系統和電氣系統組成。

Φ1300 mm 大口徑鋼管在線熱擴徑機的主要技術參數如下:

管坯直徑/mm Φ 600～Φ1200

壁厚/mm max 50

單道次擴徑率/% 10～30

工件長度范圍/mm 6000～12500

管坯材料 P91、P92、4130X 等

主推油缸噸位/t 1500

最大擴徑速度/mm 300

裝機功率/kW 2800

圖2 Φ1300 mm 大口徑鋼管在線熱擴徑機Fig.2 Φ1300 mm online hot-expending machine for large-diameter steel pipe

3 技術特點

(1)通過大型有限元模擬分析軟件DEFORM-3D 對該大口徑鋼管在線熱擴徑機在線熱擴成形進行數值分析。合理匹配大口徑鋼管在線熱擴徑機的力能參數。結合生產實際對擴徑過程的極限工況進行仿真參數設定。設定管坯材質為P91(高變形抗力耐熱合金鋼)，摩擦因子為剪切摩擦f=0.3，成形溫度為900℃(管坯溫度范圍900～1050°)，頂頭推制速度為120 mm/s(推制速度范圍20～120mm/s)，管坯Φ960 mm ×50 mm 擴徑至Φ1250 mm(擴徑量范圍10%～30%)，擴徑成形過程所需的最大推制力為12 MN，見圖3。考慮到毛管成形后期溫降、潤滑條件惡劣等工況影響。設定Φ1300 mm 大口徑鋼管在線熱擴徑機的主推油缸力為15 MN。

圖3 擴徑負載時間的變化規律Fig.3 Time-force curve during expending

(2)該大口徑鋼管在線熱擴徑機采用圖4 所示的對中約束裝置避免了鋼管制頭時失穩。制頭階段管坯端部與擋料裝置接觸時，管坯端部不平導致管坯偏載。當端部不平度偏大(＞50 mm/ 1 m)時鋼管擴制過程就會出現失穩現象，如圖5所示。根據壓桿受壓穩定性理論，壓桿的穩定性與變形長度的平方成反比。通過在管坯變形長度上增加多點約束來控制失穩變形。

圖4 對中裝置圖Fig.4 Centering device

(3)該大口徑鋼管在線熱擴徑機采用了四夾頭對中約裝置。對中約束裝置有兩夾頭和四夾頭兩種模式，如圖6 所示。由理論分析可知兩夾頭對中約束模式當約束力偏大時時會導致約束位置管坯呈現橢圓變形;四夾頭對中約束模式較好地約束了管坯的周向變形均勻性，保證了管坯變形過程的圓柱度。模擬結果顯示當管坯端部不平度較大時，通過長度方向上的多點四夾頭對中約束較好地保證了變形過程管坯的直線度。同時考慮到管坯的上下料方便，主機框架采用了45°張力柱結構，對中裝置安裝在張力柱上。

4 結論

該設備是國內目前唯一一臺可以在線熱擴加工最大成品管直徑Φ1300 mm 的擴徑機，與傳統的中頻二次加熱離線擴徑相比，具有生產效率高、節能、短流程等特點。利用有限元軟件DEFORM 對成形工藝過程進行仿真，擴徑機的力能參數更加合理。采用四夾頭對中約束裝置，將管坯端部變形量控制在較小的范圍內。

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