直緣成型高頻焊管機組軋輥孔型設計*

胡日榮，王金飛，李殿杰，韓寶云，張啟富

（1.北京鋼研新冶工程技術中心有限公司，北京100081；2.天津市焊接鋼管企業重點實驗室，天津301606）

直緣成型高頻焊管機組軋輥孔型設計*

胡日榮1,2，王金飛1,2，李殿杰1,2，韓寶云1,2，張啟富1

（1.北京鋼研新冶工程技術中心有限公司，北京100081；2.天津市焊接鋼管企業重點實驗室，天津301606）

為了提高直緣成型高頻焊管成型質量，研究并設計了一種關于軋輥孔型的計算方法，以保證帶鋼成型的均勻與穩定，同時減少成型過程中的殘余變形。以Φ339.7 mm×（4.8～16）mm規格產品為例，詳細計算了粗預成型段（BD1、EB、BD2）、精成型（FP1～FP3）、擠壓機架和定徑機架軋輥的主要設計參數，并繪制了變形輥花圖。使用該方法設計的軋輥經現場試驗，帶鋼變形流暢，表明該方法合理可行。

直緣成型；高頻焊管；孔型設計；軋輥

Abstract:In order to improve the forming quality of the flexible forming technology,a new calculation method about roll pass was researched and designed to ensure the uniformity and stability of strip steel forming,and to reduce the residual deformation during forming process.Taking Φ339.7 mm×（4.8～16） mm specification products as an example,detailedly calculated the main design parameters of coarse preforming section（BD1,EB,BD2）,finishing forming（FP1～FP3）,extrusion machine frame,and sizing frame roll,and drew the deformation roller figure.After the field test to the roller which designed by using this method,the smooth strip steel deformation showed that the method was feasible.

Key words:flexible forming；HFW pipe；pass design；roller

高頻焊管（HFW）具有尺寸精度高、生產效率高、制造成本低等優點，近年來在國內得到廣泛應用和發展[1]?？仔褪浅尚凸に嚨募夹g核心，軋輥是HFW機組的重要組成部分，也是孔型設計的直接體現。HFW機組成型方式選定后，變形區長度也就固定，因而變形量在各成型機架的合理分配成為孔型設計的重點。最佳孔型和軋輥的設計能夠減少帶鋼在成型過程中殘余變形，確保成型均勻與穩定是關系到焊管成品質量的關鍵因素。

1 焊管孔型設計方法

綜合目前對HFW成型孔型設計的研究分析，常用孔型設計方法有邊緣彎曲法、圓周彎曲法、中心彎曲法、雙面彎曲側彎成型法和綜合彎曲法[2-3]，其變形方法如圖1所示?？仔驮O計方法的選擇與成型原理、機架布置及產品定位相關，也并非一成不變?？紤]到軋輥共用及孔型的調整和設定，同類成型技術其孔型設計方法也不盡相同。

圖1 常用孔型設計方法示意圖

1.1 邊緣彎曲法

邊緣彎曲法的成型過程如圖1（a）所示，是從帶鋼邊緣部分開始彎曲成型，彎曲半徑R恒定，其值等于擠壓輥孔型半徑或第一架成型機封閉孔孔型半徑，然后逐架增加邊緣彎曲寬度和彎曲角，直至進入封閉孔型成為圓管筒。

1.2 圓周彎曲法

圓周彎曲法成型過程是沿管坯全寬進行彎曲變形，彎曲半徑逐架減小，如圖1（b）所示。當中心變形角θ＜180°時，管坯與上下輥沿整個寬度相接觸；當 180°＜θ＜270°時，管坯與下輥接觸，上輥僅與管中間部分接觸；當θ＞270°以后，管坯在上輥帶有導向環的封閉孔型中成型。

圓周彎曲法的特點是孔型彎曲半徑在封閉孔前按正比例逐架減小，均勻分配在各開口孔機架上，半徑和架次呈線性關系。

1.3 綜合彎曲法

綜合彎曲法或稱雙半徑孔型設計法，首先以擠壓輥孔型半徑作為管坯邊緣的彎曲半徑，將管坯邊緣先彎曲到某一變形角，并在以后各成型架次中保持不變，這時管坯中間部分再按圓周變形法進行變形分配，彎曲成型過程如圖1（c）所示。雙半徑孔型設計方法吸取了邊緣變形法和圓周變形法二者的優點，變形均勻，成型過程較穩定，邊緣相對伸長率較小，成型質量較好。

1.4 雙面彎曲側彎成型法

雙面彎曲側彎成型法簡稱W成型法，它是先將管坯中間部分反向彎曲，同時成型管坯邊緣，第二架水平輥采用雙半徑彎曲變形，以后幾架開口水平輥采用中間變形輥，再進入導向片的封閉孔型而成為圓管筒，彎曲成型過程如圖1（d）所示，可視為雙半徑孔型設計法的發展。

2 直緣成型工藝的孔型設計

HFW成型技術從早期用于生產小直徑焊管的平輥和立輥交替配置的輥式成型，最終發展為現在可用于大直徑焊管生產的柔性成型技術[4-6]。具有代表性的是奧鋼聯的CTA（central tool adjustment）成型技術、德國SMS MEER公司的直緣成型技術、日本中田制作所（NAKATA）的FFX成型技術、 美國 AI（Abbey International）公司的TBS成型技術以及韓國MILLTECH公司的籠式成型技術。近年來國內陸續引進建設了多條先進成型技術的HFW機組，一般隨機提供了多套軋輥圖紙。涉及核心利益，成型技術的核心即孔型設計方法并未提供，由此給企業在拓展產品規格時造成技術壁壘。因而只能通過孔型研究和自主創新，形成自有的HFW孔型設計技術。

直緣成型技術具有孔型計算機快速設定和軋輥快速更換的特點，先后被國內多家大型知名鋼管企業引進。根據成型順序，其成型段可分為粗成型、彎邊、直緣成型、精成型、擠壓和定徑，如圖2所示。根據成型孔型形狀，前三部分為開口孔型，后三部分為閉口孔型。筆者以某企業Φ340 mm HFW機組為實例進行孔型研究，產品規格為Φ339.7 mm×（4.8～16）mm，按照軋輥設計的邏輯順序，闡述各機架孔型特點和設計方法。

圖2 直緣成型過程示意圖

2.1 閉口孔型設計

如前所述，直緣成型中閉口孔型機架由精成型機架（finpass，FP）、 擠壓機架（squeezing Stand，SQ）和定徑機架（sizing stand，SZ）組成。閉口孔型采用逆序法設計，即由成品外徑根據成型順序逆序依次設計各機架孔型。

2.1.1 SZ孔型

SZ孔型決定成品外徑，總減徑量及其在各架次的分配是孔型設計的關鍵。根據成型技術特點，本機組設置4組SZ機架，每架均為四輥孔型，其結構如圖3所示，參數見表1。四輥孔型相較兩輥孔型，更能保證成品的圓度和外徑公差。

圖3 SZ孔型結構

表1 SZ孔型參數

總減徑量的經驗公式為

式中：Δ3-總減徑量；

D-成品管直徑。根據公式（1）計算得出，Φ339.7 mm成品鋼管總減徑量為3.2 mm，設定每架次減徑量為0.8 mm。圓心角α和β每架次均不同，這樣以免輥縫集中于鋼管截面某一點而造成變形不均勻甚至劃傷。輥縫δ的取值與管徑有關，一般管徑越大，δ越大。輥縫過大對管體表面質量不利，過小又會導致設備調整精度要求高，此處取δ=4 mm。為避免軋輥邊緣劃傷鋼管，在軋輥孔型兩側設置切角θ，SZ 軋輥設定θ=5°，SQ 和 FP軋輥設定θ=7°。

2.1.2 SQ孔型

SQ孔型與SZ孔型不同，為五輥式，如圖4所示。在實際成型過程中，由于帶鋼邊部變形不充分，在進入擠壓機架前帶鋼斷面呈立桃形。通過將上輥孔型半徑加大（一般為下輥孔型半徑的1.2倍左右），使其圓心下移，可以加大對帶鋼邊部的壓力，杜絕焊接后“桃形”的產生，提高焊接質量。為了便于焊瘤的擠壓排出，兩上輥間輥縫取最大壁厚值μ=16 mm，其他輥縫取值δ=6 mm。根據上述倍數關系，上輥孔型半徑Ru=RW×1.2=206 mm，λ=Ru-RW=34.55 mm。

圖4 SQ孔型結構

2.1.3 FP孔型

FP孔型作為HFW成型孔型中的重點，負責將開口孔型的帶鋼成型為筒狀，具有承上啟下的作用。根據成型理念的不同，一般FP機架設置2～3架，直緣成型技術中FP為三架四輥式孔型。FP1和FP2軋輥為雙半徑孔型，上輥和下輥孔型半徑相同，兩側輥孔型半徑相同，帶鋼在孔型呈立橢圓形狀。FP3為單半徑設計，從而減小SQ機架成型負擔。FP孔型結構如圖5所示，孔型參數見表2。

圖5 FP孔型結構

表2 FP孔型參數

式中：ρ-孔型橢圓度；

A-側輥孔型寬度；B-上下輥孔型高度。

FP1和FP2橢圓度分別定為ρ1=6%，ρ2=3%。

為保證焊縫質量，一般采取較大擠壓量Δ2，取擠壓量為同一外徑規格鋼管平均壁厚的1/2，即5.2 mm。由式（3）可以求出FP3孔型圓周長，每架FP孔型的縮減量為2 mm，由式（4）可得出FP2和FP1孔型圓周長。

式中：L3-FP3機架孔型圓周長；

RW-上輥孔型半徑；

Δ2—焊接擠壓量，mm；

Li-1-第i-1架精成型機架孔型圓周長；Li-第i架精成型 機架孔型圓周長。

為防止帶鋼在FP孔型中發生扭轉，在FP上輥中間增設了翅片，翅片的作用是既可保證經過FP孔型成型后的管坯縱向中心始終處于12點位置，同時FP3翅片和SQ機架形成如圖6所示的焊接角VW，對于某一特定機組，焊接角是

橢圓度ρ定義為固定的。由于存在帶鋼擠壓量，帶鋼兩邊緣的實際接觸點在SQ機架之前。前面提到過，擠壓量是隨管徑和壁厚變化的不確定量，因此帶鋼兩邊緣的實際接觸點與SQ機架的距離是一個變量，為計算方便，引入理論焊接角V。

圖6 實際焊接角VW和理論焊接角V示意圖

令翅片對應的圓心角為ωi，則

式中：ωi-第i個機架翅片對應圓心角；

Wi-第i個機架翅片寬度；

R3-第3架精成型側輥孔型半徑；

ω3-第3架精成型翅片對應圓心角；

αi-第i架機架上下輥圓心角；

ri-第i個機架上下孔型半徑；

βi-第i架機架側輥圓心角；

Ri-第i架精成型側輥孔型半徑。

Φ340HFW機組理論焊接角為0.8°～1.5°，與成品管徑D變化呈線性關系，則經驗公式為

式中：V-理論焊接角（弧度值）；

W3-FP3翅片寬度；

S-SQ機架與FP3機架中心距，S=1900mm。

通常情況下，W2=2W3，W1=3W3，由幾何關系可推出

式中：ρi-第i架精成型孔型橢圓度；

Bi-第i架精成型上下輥孔型高度；

Ai-第i架精成型側輥孔型高度。

通過以上各式，即可求出各未知參數。

此外，翅片的斜角ε≠ω，而是比ω小6°。如此設計的目的是適應帶鋼銑邊后形成的斜邊，更有效防止帶鋼在孔型內扭轉。

2.2 開口孔型設計

開口孔型由粗成型機架（breakdown，BD）、彎邊機架（edge bending，EB）和直緣成型（straightedge forming，SF）機架組成（圖 2）。 開口孔型是帶鋼成型的初期，是HFW成型中實現軋輥共用的部分。開口孔型設計的重點是確定帶鋼寬度和共用軋輥設計。

2.2.1帶鋼寬度確定

首先由機組最大規格確定最大帶鋼寬度，計算公式[7]為

式中：K—帶鋼寬度，mm；

D—成品外徑，mm；

t—帶鋼最大厚度，mm；

Δ1—成型余量，mm，根據D/t選取，此處選 2/3t；

Δ2—焊接擠壓量，mm；

Δ3—定徑減徑量，mm。

經計算，本機組最大帶鋼寬度為1 043 mm。

2.2.2 BD1孔型

BD1的作用是將帶鋼按一定曲率半徑進行粗彎成型，該軋輥為全部規格共用，故孔型半徑由最大規格焊管的尺寸決定。為滿足共用兼容，設計生產最大規格焊管的帶鋼BD1成型圓心角θ約為90°，則可求得下輥孔型半徑Rb=670 mm，進而可知上輥孔型半徑為654 mm。由于BD1軋輥尺寸較大，通常會設計成分體式，如圖7所示，上下輥均被分為3部分。下輥的邊部輥可以自由轉動，從而解決了帶鋼邊部和中心部位的速度差過大問題。

圖7 BD1軋輥孔型

2.2.3 EB孔型

EB是在BD1變形的基礎上，將帶鋼的邊緣部分彎曲，而中間部分為自由彎曲，EB機架的目的是解決邊部變形量不足的問題。如果邊部變形不足，會引起FP上輥的磨損量較大，嚴重地還會影響焊接質量。EB機架帶鋼變形如圖8所示。

圖8 EB機架帶鋼變形圖

EB輥為分段共用，即幾個相近規格進行共用，在孔型半徑一定的情況下，大規格的鋼管其彎曲角度θ較大，小規格鋼管其彎曲角度較小。彎曲角度θ最大為45°，最小為25°。EB輥孔型半徑的確定主要考慮帶鋼的彈性模量，一般等于SQ孔型半徑RW。對于彈性模量較大的材質，帶鋼回彈量較大，則還應預設一定的過彎量。此處下輥孔型半徑RW=171.45 mm，則上輥孔型半徑為155.45 mm。

2.2.4 BD2孔型

BD2的作用是對帶鋼中心區域（指除帶鋼彎邊區域之外的部分）進行成型，將中心角θ彎制成90°，與BD1不同，BD2的變形為近似三點彎曲。在一對側輥的推力作用下，帶鋼與上輥孔型完全接觸進行彎曲成型，經計算上輥孔型半徑Rk=465 mm。上輥寬度設計需考慮帶鋼在EB孔型完成的邊緣變形區域，避免干涉。BD2帶鋼變形如圖9所示。

圖9 BD2帶鋼變形圖

2.2.5 SF孔型

直緣成型（SF）是連續漸進式成型，通過外側兩排小輥（數量取決于機組系列，本文Φ340 HFW機組單側排輥數量為20）和中心內支撐輥將帶鋼中心區域進一步彎曲，逐步成型為開口管坯，為進入閉口FP孔型創造條件。SF孔型除少量內支撐輥需要更換，主要靠機架的多維度機械調整來實現孔型的變化。對于線性成型的孔型調整，已有多位學者進行了研究[6,8-10]，此處不再詳述。

2.3 輥花圖

通過對孔型進行分析和設計，結合本機組的下山法成型，可以得到本規格鋼管成型的變形輥花圖，如圖10所示。可以看出整個變形過程流暢，變形道次分布合理。

圖10 HFW成型變形輥花圖

3 結束語

介紹了HFW成型常用孔型設計方法，分析了直緣成型技術的孔型特點。以國內某企業引進建設的Φ340HFW直緣成型機組為實例進行了孔型研究，并以 Φ339.7 mm×（4.8～16）mm 規格產品為例詳細闡述了各成型道次的孔型原理和設計過程。通過研究提出了直緣成型孔型的設計方法，使用該方法設計的軋輥經現場生產驗證，焊管成品各項指標完全滿足要求。因而，該孔型設計方法經驗證是合理可行的，對于同類成型機組新產品的孔型設計具有一定的借鑒價值。

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Roll Pass Design of Flexible Forming HFW Pipe Mill

HU Rirong1,2，WANG Jinfei1,2，LI Dianjie1,2，HAN Baoyun1,2，ZHANG Qifu1
（1.Beijing Cisri-nmt Engineering Technology Co.,Ltd.,Beijing 100081，China；2.Tianjin Key Laboratory of Welded Steel Pipe Enterprise，Tianjin 301606，China）

TG332

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.04.007

2017－02－07

編輯：李紅麗

天津市科技計劃項目“精密缸體管研發與應用平臺建設”（項目號15PTSYJC00140）。

胡日榮（1985—），男，博士，主要從事鋼管成型工藝研究。