斜軋毛管壁厚偏心預報模型及影響工藝分析

陳明航，李 爽，王昊奇，張銀生

（1.南陽職業學院，機械與汽車工程學院，河南 南陽 474500；2.鄭州輕工業大學，機電工程學院，河南 鄭州 450064；3.河南勁派集團有限公司，河南 南陽 474500）

1 引言

制備無縫鋼管時，需要經歷穿孔、軋管、定減徑共三個變形環節，因此斜軋成為了一種起到關鍵作用的軋管技術［1-4］。采用斜軋方式制得的毛管各處壁厚存在差異，呈現偏心現象，同時毛管還要在之后續定減徑階段完成空心變形過程［5-7］，受壁厚偏差因素的影響將會導致最終得到的成品無縫鋼管也發生壁厚尺寸偏差過大的問題，因此進行無縫鋼管生產時需對毛管壁厚偏心進行嚴格控制［8］。

文獻［9］針對鋼管在連軋機架上的軋制加工過程構建了仿真模型，并對軋制階段鋼管截面發生的位移、應力、應變與壁厚變化進行了測試，同時根據仿真結果優化了機組軋機的結構參數與加工技術。文獻［10］則對（111×4.35）mm的42CrMo4鋼管處于頂管階段產生的滑動速度進行測試。可以發現，軋件輥縫處形成了沿軸向拉伸的應力作用，到達接近軋件頭部的區域時軋件受到了較大軸向拉應力作用，引起了更明顯的壁厚拉凹變化特征。文獻［11］開發了一種直徑尺寸為480mm的頂頭結構，根據其控制要求對穿孔參數進行了優化，同時調整了連軋數模，并且配備了509.6mm外徑的芯棒。采用該方法可以制備得到具有穩定尺寸的大口徑薄壁無縫鋼管，實現鋼管的減徑與延伸效果，從而獲得更薄的管壁，獲得更光滑的毛管表面，得到更均勻的壁厚，可以使壁厚偏差不超過±8%。文獻［12］主要研究了三輥軋管工藝引起的毛管壁厚偏心，并對毛管壁厚偏心進行了優化控制。通過測試發現，毛管壁厚不均比例達到了80%；其中，毛管溫度與壁厚偏心是造成斜軋毛管產生壁厚偏心的關鍵因素。

為改善無縫鋼管生產工藝，研究人員需深入分析控制無縫鋼管壁厚的作用機制并對各類管壁厚度影響因素開展深入探討，對各項質量指標進行全面分析，從而獲得更優的無縫鋼管質量控制性能。從實際生產過程與理論層面進行研究，對引起斜軋毛管壁厚偏心的各項因素進行了分析，為提升無縫鋼管壁厚尺寸控制精度提供了一定的參考價值。

2 壁厚偏心試驗

2.1 試驗方案

采用三輥軋管機進行軋制得到三種不同規格的無縫鋼管，對各規格依次下線一支毛管。

利用手動操作的方式軋卡1支毛管，由此獲得前半段為毛管以及后半段為毛管的軋卡試樣。首先在原料管坯表面銑出一條寬度為6mm、深度為12mm并沿縱向分布的溝槽，根據該溝槽軋制后的形態判斷鋼管發生扭轉的情況。從FQM 連軋管線上直徑140mm 三輥軋管機實際情況出發，現場實測數據，各項軋制參數，如表1 所示。分析表1可知：延伸系數取值在（1～4）之間，選取的數據具有很好的分散性，可以作為實驗參數代表處理后續的結果分析。

表1 三輥軋管機軋制Tab.1 Three High Pipe Mill Rolling

因此從三個規格毛管上切割得到990mm長的管段，并對橫截面圓周方向按照四等分的方式進行標記，在外表面區域以上述四個標記點作為起始點并沿軸向劃出四條縱線，接著按照20mm間隔在毛管軸線上設置圓周線，并對該圓周線設置相應的標號；通過砂輪鋸把毛管鋸成方便測試的管段，采用千分尺測定了圓周線與縱向線交匯位置的壁厚尺寸。

2.2 結果分析

各規格毛管在縱向線上形成的壁厚狀態，如圖1所示。結果發現，本次測試的三種規格毛管壁厚都在縱向線上形成了具有周期性特征的分布形態，呈現近似正弦曲線的特點，并且相隔180°二條縱向線壁厚波形剛好相差π 的相位差，對于同一橫截面部位，最大和最小壁厚間保持180°的對應狀態。

圖1 不同規格毛管的縱向壁厚分布Fig.1 Longitudinal Wall Thickness Distribution of Capillary of Different Specifications

根據圖1可知，毛管壁厚沿橫截面方向發生了偏心現象，并沿縱向形成了螺旋扭轉的變化趨勢，同時形成了“偏心螺旋”形態的壁厚。根據圖1中的壁厚分布狀態可以發現，毛管壁厚偏差主要表現為“偏心螺旋型”的壁厚分布結果，是引起毛管壁厚不均現象的關鍵因素。毛管橫截面壁厚參數通過偏心擬合方式進行處理得到，在毛管壁厚不均中存在比例超過80%，所得結果具有很好的代表性。

3 毛管壁厚偏心模型

對毛管壁厚偏心進行計算的流程，如圖2所示。可以看到，此時芯棒軸線初始位置跟軋制中心線呈現重合的狀態，根據計算結果發現芯棒軋制力P1與P2未達到平衡狀態時，芯棒位置按照設計步長向更低壓力方向運動。在P1與P2差值達到足夠小的情況下，不再調整芯棒位置，記錄此時的芯棒偏移量。先計算P1處軋制毛管達到最大壁厚時對應的芯棒偏移量e1，接著計算P1處軋制毛管達到最小壁厚時的芯棒偏移量e2，通過計算e1+e2得到毛管壁厚的偏心數據。

圖2 毛管壁厚偏心計算流程圖Fig.2 Flow Chart of Capillary Wall Thickness Eccentricity Calculation

4 壁厚偏心分析

4.1 壁厚偏心預報

采用20鋼作為本次測試的鋼材，根據實際測試結果計算毛管壁厚偏心值，沿毛管圓周方向的溫差根據最小壁厚相對最大壁厚超出15℃進行計算，根據表1給出的三輥軋管參數計算各規格毛管的壁厚偏心。對毛管壁厚偏心預報值和實測值進行對比所得的結果，如表2所示。

表2 毛管壁厚偏心的預報值和實測值Tab.2 Predicted and Measured Values of Capillary Wall Thickness Eccentricity

根據2號與3號樣品測試結構可知，處于較小的毛管壁厚條件下，壁厚偏心預報值達到了與實測值相近的程度。對于1號試樣存在較大壁厚的毛管條件下，實測得到的壁厚偏心比預報值更小，這是由于厚壁鋼管在三輥軋管變形區減徑段獲得了的壁厚糾偏的效果。因為減徑段沒有與芯棒發生接觸，因此這里根據芯棒力平衡條件構建預報模型時未分析減徑段變形因素引起的壁厚偏心變化，但依然可以采用這里的預報模型分析毛管壁厚偏心受到三輥軋管工藝的影響情況。

4.2 壁厚偏心影響工藝分析

結合試驗機組特征，為三輥軋管確定了12個單獨的工藝控制參數，各典型值參數及其變化區間結果，如表3所示。建立了毛管壁厚偏心預報模型，并將某一參數設定在典型取值范圍中，其它各參數保持恒定的值，之后建立單因素和毛管壁厚偏心值曲線，在此基礎上研究了毛管壁厚偏心受到各因素的影響程度。

表3 三輥軋管參數分布Tab.3 Parameter Distribution of Three-Roll Pipe Rolling

通過計算發現，在以上各工藝因素中，毛管壁厚偏受到了4個因素的顯著影響，毛管壁厚偏與各因素的變化曲線，如圖3所示。可以明顯發現，毛管壁厚偏心值受到毛管壁厚以及毛管溫度偏心因素的明顯影響，呈現正相關特點，即隨著毛管壁厚與溫度偏心的增加，形成了更大的毛管壁厚偏心；軋輥轉速與輥肩高度則對毛管壁厚偏心產生了負影響的作用，逐漸增大這兩個變量后，發生了毛管壁厚偏心值降低現象。

圖3 工藝因素對毛管壁厚偏心的影響曲線Fig.3 Influence Curve of Technological Factors on Capillary Wall Thickness Eccentricity

5 討論

根據圖3結果進行分析得到毛管壁厚偏心與三輥軋管工藝之間的關系，如表4所示。箭頭方向朝上代表隨著工藝參數的增大，壁厚偏心也越明顯；箭頭朝下代表工藝參數增大時，壁厚偏心將會減小；根據箭頭數量判斷影響程度。

表4 毛管壁厚偏心特點Tab.4 Eccentric Characteristics of Capillary Wall Thickness

通過分析以上研究結果與無縫鋼管斜軋變形過程可知，毛管壁厚與溫度偏心引起的毛管壁厚偏心變化最顯著，同時因為會形成同位同源的毛管壁厚偏心與溫度偏心，因此需重點關注斜軋穿孔毛管壁厚偏心與溫度偏心產生的影響；其次，在增加毛管壁厚的過程中，形成了更大的毛管壁厚偏心，表明設計三輥軋管工藝的時候，可以通過合理增加壁厚壓下量來降低毛管壁厚偏心；第三，提高毛管溫度后，產生的毛管壁厚偏心也更大，因此可以通過將毛管溫度控制在一個較低區間內來達到降低毛管壁厚偏心的效果；第四，軋管臺肩屬于三輥軋管的重要結構，設計時需對其高度進行精確控制，通過分析發現，降低軋管臺肩高度后，形成了更大的毛管壁厚偏心，因此可以利用提高臺肩高度的方式來實現降低毛管壁厚偏心的效果；第五，減小軋輥轉速后，形成了更大的毛管壁厚偏心，由此表明可以在軋制階段通過增大軋輥轉速的方式來減小毛管壁厚偏心。進行工藝參數設計的時候需對上述因素開展深入研究，從而達到改善斜軋毛管壁厚偏心作用。

最后，考慮到三輥軋管減徑段可以對厚壁鋼管發揮良好的壁厚糾偏功能，但在本預報模型中并未對該因素進行深入研究，因此不能實現對厚壁毛管壁厚偏心的精確預報，還需對其進一步優化。

6 結論

（1）測試毛管壁厚都在縱向線上形成了具有周期性特征的分布形態，最大和最小壁厚之間保持180°的對應狀態。毛管壁厚偏差主要表現為偏心螺旋型的壁厚分布。在毛管壁厚不均中存在比例超過80%。

（2）實測得到的壁厚偏心比預報值更小。毛管壁厚偏心值受到毛管壁厚以及毛管溫度偏心因素的明顯影響，呈現正相關特點；軋輥轉速與輥肩高度則對毛管壁厚偏心產生了負影響的作用，逐漸增大這兩個變量后，毛管壁厚偏心值降低。