提升斜辊矫直机矫直质量的工艺研究

提升斜辊矫直机矫直质量的工艺研究
CHEN Haoming;DOU Maoke
【摘要】为了提升斜辊矫直机矫直质量,以生产线配备的6CR9型六辊斜辊矫直机应用为例,针对当前钢管矫直存在的直线度不佳、管头压扁、管端矫伤、椭圆度超标、辊痕较深等问题,分析了产生这些问题原因.分析认为,压弯挠度、压扁量、矫直辊斜角、矫直速度等工艺参数的配置不合理是影响矫直质量的主要原因.在钢管矫直过程中,需结合钢管材质、规格及原始弯曲度等参数,在理论计算的基础上,结合生产实践及测量数据,进一步优化和匹配各工艺参数,以达到提升矫直质量的目的.
【期刊名称】《焊管》
【年(卷),期】2019(042)001
【总页数】6页(P37-42)
【关键词】钢管;矫直机;压弯挠度;辊缝;斜角;校准
【作者】CHEN Haoming;DOU Maoke
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TG333.93
0 引言
钢管斜辊矫直是指钢管与矫直机矫直辊倾斜相交，矫直辊转动时，钢管一边旋转一
边前进，矫直辊对钢管的压弯轨迹呈螺旋线形，钢管承受均匀的径向力和连续的纵向弯矩，使沿整根钢管的轴向和圆周方向发生连续的纵向和径向弹塑性变形，进而达到矫直、减小管材椭圆度的目的[1]。

在油套管生产中，管材的直线度及椭圆度
较差，不但容易引起管体跳动，车丝困难或产生黑皮扣等质量问题，而且影响下井过程中接箍拧紧效率，尤其对于高抗挤套管，椭圆度不好将会导致抗挤毁性能的劣化。

本研究以宝鸡石油钢管有限责任公司采用HFW高频焊管经热张力减径工艺生产油套管配置的斜辊冷矫直机为例，结合理论和生产实际，通过分析钢管矫直过程中出现的问题，找出影响矫直质量的主要因素，采取优化措施提升钢管矫直质量。

1 斜辊矫直机设备简介
钢管生产线配备6CR9型斜辊矫直机，矫直钢管的规格为外径60.32～194.5mm，最大矫直载荷为100 t，最大矫直速度为90 m/min。

矫直辊上下成对布置，上三辊和下三辊分别配置一台电机驱动。

上辊均可通过电动螺旋升降机进行高度调整，同时配备快开油缸，可实现矫直辊上辊快速压下或抬升动作。

入口与出口下辊高度固定，中间下辊可通过电动螺旋升降机进行高度调整，从而达到合适的压弯挠度，可实现最大压弯挠度为+25mm。

各矫直辊斜角可通过液压马达进行调整。

斜角调整完毕后，采用液压锁紧油缸将矫直辊转动底盘锁死，防止在矫直过程中矫直辊斜角发生变动。

当辊子斜角设置到合理位置，中间下辊顶起形成一定的压弯挠度时，钢管在斜辊摩擦力带动下旋转前进实现全方位椭圆变形和反弯矫直。

六辊斜辊矫直弯矩如图1所示，图1中轴向对辊辊距为P，箭头代表钢管运行方向，1#入口辊
处弯矩为M1，2#中间辊弯矩为M2，3#出口辊处弯矩M3。

矫直辊上辊配备
LP50型压力传感器，可在生产中随时监控各辊的承载力[2]。

图1 六辊斜辊矫直弯矩示意图
2 现用钢管矫直机存在的问题
（1）钢管矫直后全长或管端直线度不佳，导致管端车丝时产生黑皮扣或颤纹。

（2）钢管矫直后会出现管头压扁、管端矫伤、椭圆度超标等问题，随后要切头处理，影响成材率，增加切头工序，降低了生产效率。

（3）钢管矫直后表面螺旋线辊痕较深，凹凸感明显，按照API SPEC 5CT标准要求，若矫直后辊痕严重，可拒收。

钢管矫直后存在典型问题的实物照片如图2所示。

图2 钢管矫直后存在典型问题的实物照片
3 影响矫直质量的原因分析
影响六辊斜辊钢管矫直质量的因素主要有压弯挠度、辊缝（压扁量）、辊子斜角、矫直速度及校准等。

3.1 压弯挠度
钢管压弯矫直时发生弹塑性变形，应力与应变不再遵循简单的弹性线性关系，而是当应力达到材料屈服强度后，钢管在超出弹性极限后经历一个塑性变形的过程。

反弯应力消失后，钢管由于经历了永久的塑性变形，故不能回归原始弯曲状态而最终趋于变直。

为使钢管矫直后变直，必须选用一个正好与弹复量及塑性变形相对应的反弯量对钢管进行矫直[3]。

反弯量直接体现在矫直辊中间下辊的顶起高度上（即2#中间下辊与1#入口辊和3#出口辊的高度差），即压弯挠度。

压弯挠度是影响钢管矫直后全长或管端直线度的核心因素之一。

因此，根据钢管原始弯曲情况，选择最佳压弯挠度，对钢管直线度起到至关重要的作用。

压弯挠度太小，反弯不足，钢管原始弯曲无法得到矫正。

通过反弯曲率、弯矩及钢管强度特性推导压弯挠度较为复杂，目前常温矫直使用的理论公式为：
式中：σs——钢管屈服强度，MPa；
P——轴向对辊辊距，取805mm；
E——钢管弹性模量，取206 000 MPa；
D——钢管外径，mm。

由公式（1）可以看出，随着钢管钢级提高，钢管屈服强度σs增大，抗力增大，
压弯挠度相应增加。

压弯挠度与屈服强度、辊距呈正比关系，与钢管外径呈反比关系。

3.2 辊缝
辊缝设置不合理，会直接导致钢管管头压扁、直线度及椭圆度超差等质量问题。

斜辊矫直即钢管经历压扁搓圆的矫直过程，所以要通过电动螺旋升降机调整上辊高度，使辊缝小于钢管外径，钢管在旋转时产生椭圆变形，从而在大于钢管外径的椭圆长轴方向得到更大的矫直变形量。

随着局部椭圆变形的矫正，使钢管圆度提高，局部弯曲也得到矫直[4]。

钢管外径与辊缝的差值即为压扁量。

常温矫直压扁量的推荐
公式为：
式中：t——钢管壁厚，mm。

辊缝太大（即压扁量太小）则钢管在上下辊间晃动无法顺利咬入且旋转前进的稳定性差，显然达不到压扁搓圆目的[5-7]。

辊缝如果太小（即压扁量太大），管头很
容易出现压扁。

钢管管头在第一对入口辊咬入过程中产生压扁，在后续的2#中间
辊和3#出口辊处管端无法进行搓圆，导致椭圆度超标。

对超标钢管管端需切头处理，减慢了生产节奏，降低了成材率。

3.3 矫直辊斜角
钢管管端压扁、管体辊痕明显，除了考虑压弯挠度及压扁量大导致矫直力偏大的原因外，还与矫直辊斜角密切相关。

矫直辊斜角即辊轴线与钢管轧制线的夹角。

正是由于矫直辊斜角的存在，才能使钢管实现旋转前行，产生连续性椭圆变形而变直，六辊斜辊矫直机辊子如图3所示。

斜角调整目的是为了在钢管生产规格变化后使
钢管与矫直辊保持足够的接触长度，在钢管运行过程中被上下两辊夹持而不失稳。

如果矫直辊斜角太小，钢管易与辊肩部位接触，从而导致钢管被压扁或出现螺旋线辊痕。

图3 六辊斜辊矫直机辊子示意图
矫直辊斜角的大小与钢管矫直后的直线度密切相关。

矫直辊斜角角度设置遵循以下准则，矫直辊间距P等于钢管螺旋导程的整数倍再加1/2或者1/3导程（导程即
钢管旋转一周前进的距离，其值为Dtanα，其中D为钢管外径，α为矫直辊斜角）[8]。

如果矫直辊间距P等于螺旋导程的整数倍，每个辊子将起到重复压弯的作用，因此越矫越弯，最终导致钢管报废。

辊子斜角α的调整，基于两个方面：一方面
要在生产规格变化后，保证钢管运行不失稳；另一方面，在满足辊距与螺旋导程关系式前提下，确保沿辊子轴向钢管与辊面接触长度不少于80%辊长。

3.4 矫直速度
前期，由于生产任务小，矫直作业节奏慢，未注意到矫直速度对钢管直线度、辊痕、管端压扁矫伤的影响。

随着生产节奏的加快，在提升Φ139.7mm钢管产能时发现，当矫直速度提高至接近90 m/min时，钢管全长直线度变差、管头咬入时压扁矫
伤严重，管尾辊痕加重。

因此，矫直速度不仅对矫直生产效率起决定性的作用，而且对矫直质量有较大的影响。

高速矫直过程中，尤其当咬入速度较高时，由于中间下辊与两侧辊存在高度差，管端经第一对辊咬入后高速推进至2#中间辊，易与中间下辊辊肩碰撞，造成管头矫
伤或压扁；另外，运行至3#出口辊时，同样由于中间辊的顶起效果，管头又与出
口上辊辊肩碰撞产生二次矫伤；同时，在高速运转时，管体甩摆剧烈，尤其在管尾即将离开矫直3#出口辊时，由于类似悬臂结构承受的弯矩及甩动惯性导致管尾承
受较大约束力，辊痕加重，矫直速度越高，钢管矫直后残余应力分布越不均匀[4]。

矫直速度的选择应考虑钢管材质、原始弯曲度及外径等因素。

首先，钢管外径越大，如果矫直速度高，则双曲线辊沿轴向由于直径的差异导致产生速度差，则钢管在矫
直过程中容易滑动产生划伤。

其次，在其他矫直参数不变的情况下，若采用高速矫直，矫直后钢管直线度、外观质量及残余应力分布均匀性较差，采用低速矫直时效果较好，这主要与材料的性能相关。

矫直速度太高，当其高于材料的塑性变形速率时，钢管来不及发生充分的塑性变形，无法完全矫正[9]。

对于原始弯曲度较大的钢管，应选择低速矫直，以达到充分变形，实现矫正的目的。

3.5 入口导卫开度
钢管出现管头压扁、辊痕等不良质量特征，还与入口导卫开度偏大有关。

入口导卫就是在矫直辊入口前设置的可调约束导板，该导板可使钢管在咬入时不偏离机组中心线，便于顺利咬入。

矫直入口导卫设备如图4所示。

在钢管矫直过程中，如果导入口导卫开口太大，则钢管缺乏约束，在输送过程中晃动，在咬入瞬间接触辊肩部位易造成压扁或产生较严重的辊痕。

建议入口导卫开度比管径大25～40mm。

图4 矫直入口导卫设备示意图
4 提升矫直质量的工艺调整
以J55钢级Φ139.7mm×7.72mm套管矫直为例，在理论计算的基础上，生产中对矫直工艺参数加以补偿优化，结果如图5所示。

图5 J55钢级Φ139.7mm×7.72mm套管矫直工艺参数优化结果
4.1 压弯挠度的调整
按公式（1）可计算管坯矫直压弯挠度值（取屈服强度460 MPa），管坯在理论压弯挠度矫直下直线度不佳。

经标记确认为反弯不足，需要加大压弯挠度。

结合公式（1）和公式（2）计算得出，压扁量达到1.7mm，大压扁量下管体经矫直后管头压扁，椭圆度超标（椭圆度=2（最大外径－最小外径）/（最大外径+最小外径））。

可见理论计算的参数用于实际生产中，并不都是完美的，要结合现场矫直的实际情况，做适当的调整和补偿，寻求挠度与压扁量的平衡点，从而达到最佳的
矫直效果。

经不断调整，最终将压弯挠度提高至6.5mm，压扁量降低为1.2mm，矫直后钢管直线度平均值为0.06%（API SPEC 5CT标准要求≤0.2%），椭圆度平均值为0.21%。

对于原始弯曲非常严重的钢管，一次矫直往往很难达到直线度要求，可进行多次矫直，不推荐一次性加大挠度进行矫直，由于管体表面易出现较深辊痕，或直线度不达标。

条件允许情况下，可先采用较小挠度进行第一次粗矫直，然后返回设置较大挠度进行精矫。

如果初次采用大挠度，管坯在矫直作用下产生加工硬化，如果第二次采用相同的压弯挠度进行矫直，效果甚微。

4.2 辊缝的调整
生产中，压扁量的设置需要综合考虑钢管外径、壁厚以及屈服强度等因素，如钢管钢级提高，N80相较于J55钢级屈服强度增大，需增加压扁量即减小辊缝，提高
椭圆变形能力。

压扁量的设置同钢管的壁厚呈反比。

矫直后管体辊痕明显，局部出现加工硬化，残余应力不均匀，影响产品质量。

所以在生产过程中，调整压扁量的同时要随时监控外观质量，如出现管头压扁或可触摸到的辊痕，需立即调整辊缝及矫直辊斜角等参数。

在对Φ139.7mm×7.72mm钢管矫直过程中，大压扁量下出现了管头压扁、椭圆
度超标的情况。

针对该情况就需要与压弯挠度配合调整，通过提高反弯，适当降低椭圆变形的幅度，确保直线度和椭圆度均达标。

另外，入口辊、中间辊和出口辊辊缝的设置存在差异。

辊缝=钢管外径－压扁量，一般中间辊辊缝最小。

入口辊和出口辊处压扁量约为中间辊的一半，通常入口辊处压扁量略小，保证钢管能顺利咬入且在中间辊处实现最大程度的反弯及椭圆变形。

4.3 辊子斜角的调整
辊子斜角的基准值源于双曲面辊与管坯的贴合理论计算得出。

对于Φ60.3～
Φ194.5mm规格钢管，矫直辊斜角设置随管径变大逐渐增大，以期实现最佳包络
及贴合，保证矫直作业的稳定性[9]。

从图1中的矫直弯矩可以看出，中间下辊承
受的矫直力最大，在辊缝保持不变的前提下，消除辊痕首先要调整中间下辊的斜角，一般情况加大斜角，去除管体辊痕效果比较明显。

若管尾辊痕明显，可能是由于矫直接近结尾的悬臂结构导致，可酌情加大入口上辊角度。

J55钢级Φ139.7mm×7.72mm钢管矫直辊斜角设置见表1。

由表1可以看出，
中间辊下辊与入口上辊斜角相对较大，有利于减少辊痕。

但若斜角设置太大，钢管出现剧烈甩摆和噪音，甚至于出现钢管脱离矫直中心线窜出或钢管与双曲线辊接触位置不合理被辊缘等位置压扁等情况。

需要说明的是，中间上辊斜角最小起约束作用，斜角在实际生产中可以微调。

表1 J55钢级Φ139.7mm×7.72mm钢管矫直辊斜角设置注：其余辊斜角为以中
间上辊为基准的变化量。

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4.4 矫直速度的调整
如果钢管的原始弯曲度、直径以及材料的屈服强度较大，一般推荐采用较低的矫直速度。

在矫直过程中，不能简单地为提升生产效率而随意提高矫直速度，应根据矫直精度的要求、钢管材质以及原始弯曲度等因素选择合理的矫直速度。

以J55钢级Φ139.7mm×7.72mm钢管为例，现用矫直速度80～90 m/min时，由于辊子轴向直径差导致的线速度差引起管体表面划伤、螺旋线辊痕较深、直线度超标率高达5%。

在满足生产效率的情况下，按图5优化后的矫直工艺参数进行矫直，选择中速50～70 m/min进行矫直，矫直后钢管直线度及椭圆度满足产品标
准要求。

J55钢级Φ139.7mm×7.72mm钢管矫直后的直线度和椭圆度分布如图
6所示。

图6 J55钢级Φ139.7mm×7.72mm钢管矫直后的直线度和椭圆度分布
4.5 矫直辊的校准
长期运行的矫直辊因磨损更换后，需要通过一根标准样棒进行校准，以确定矫直辊
基准零位位置，确保矫直辊高度、角度基准值准确可靠。

否则，若基准偏差，则工艺调整参数无据可依，存在极大的质量风险。

所以，矫直辊的校准是矫直工艺调整的基础，校准所采用的标准样棒须贮存良好，防止表面锈蚀及弯曲情况的发生。

矫直辊的校准过程如图7所示。

图7 矫直辊的校准过程
5 结语
（1）压弯挠度、辊缝及压扁量等矫直参数在理论计算的基础上，需根据来料规格、材质、原始弯曲情况及辊面磨损情况进行综合考虑予以补偿调整，实际生产中注意观察钢管与辊面贴合度及管体辊痕情况进行微调。

（2）生产中矫直辊参数的调整需要不断积累经验，为便于准确定位，在辊缝、压弯挠度、角度等参数的调整中切忌一次性修改多项参数，通过观察矫直设备运行情况及产品质量进行微调。

（3）矫直工艺参数的调整基于矫直辊基准零位的校准，在矫直辊磨损及更换后必须进行校准，才能科学地调整工艺提升矫直质量。

（4）六辊矫直管端存在一定的矫直盲区，如果钢管几何尺寸精度要求较高，或为了减少盲区，可视产品需求选用配置十辊或更多矫直辊的矫直机，其工作原理与六辊矫直机基本相同。

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