18 焊管成形原理.

18 焊管生产18.1 概述焊管生产方法主要有直缝焊管及螺旋焊管。

我国目前有直缝中小焊管机组（ERW）约1600～1800套，直缝大口径埋弧焊管机组5套，螺旋焊管机组约90套，年生产能力达900万吨以上。

18.1.1 高频直缝连续电焊管生产电焊管生产无论在有色和黑色生产中都有较快的发展。

中小型直缝电焊管基本上都采用辊式连续成型机生产，机组具有设备简单、投资少；产量高；成本低；机械性能好；精度高、壁厚均匀，表面光洁；焊缝质量好等特点。

高频焊管机目前可生产φ5～660×0.5～15mm的水煤气管道用管、锅炉管、油管、石油钻采管和机械工业用管等。

当采用排辊成型法时，产品规格可扩大到φ400～1220×6.4～22.2mm。

典型工艺流程如图18－1所示：图18－1 连续电焊管机组典型工艺流程①水煤气管；②一般结构管和油管；③汽车传动轴管生产钢种主要有低碳钢及低合金高强度钢，对不同钢种应采用不同工艺规范，以保证焊缝质量。

焊管技术发展很快，如螺旋式水平活套装置、双半径组合孔型，高频频率多在350kHz～450kHz，近年来又采用了50Hz超中频生产厚壁钢管；焊接速度达到130m／min～150m／min；内毛刺清除工艺用于内径为15mm～20mm的钢管生产中；冷张力减径级组受到重视；无损探伤应用越来越广泛；有些作业线上还设置了焊缝热处理设备；有些还采用了直流焊、方波焊、钨电极惰性气体保护焊、等离子焊以及电束焊等。

在后部工序中很多机组均设有微氧化还原热镀锌、连续镀锌和表面涂层等工艺，并相应设有环保措施。

我国于1978年研制成功履带式成型机，用于生产φ12～150×0.5～3.25㎜的薄壁管和一般用管。

成形过程如图18－2所示。

成形过程不需要成型辊，当带材进入倾斜的三角模板1和V型槽2构成的孔型后，在Ⅰ段带材比三角板窄，未接触V型槽面；进入Ⅱ段带材开始宽于三角板压出弯边，而后依次通过各段成形为管材。

该机组的优点是变换管径方便，适于多品种生产；可生产辊式连续成型机不能生产的较大直径的薄壁管；设备简单，成本小；成形后残余应力小；可用于锥形管的成型。

图18－2 履带式成型机工作原理（a）一般成形过程；（b）带材变形过程18.1.2 UOE直缝电焊管生产UOE法是生产大口径直缝电焊管的主要方法，可生产φ406～1625×6.0～32mm，长达18m的管子。

美国于1951年首先应用此法进行生产，随着石油天然气工业的发展，对大口径高强度管的需求量急增，促进了该生产法的发展，全世界拥有量超过30套，我国近年来发展很快，新建4套UOE。

UOE法生产是以厚钢板作原料，经刨边和预弯边，先在U型压力机上压成U形，后在O型压力机上压成圆形管，然后预焊、内外埋弧焊，最后扩径以矫正焊接造成的管体变形，达到要求的平直度和椭圆度，消除焊接热影响区的残余应力。

该法可能生产的最大直径受到板带材宽度限制，设备投资也较大。

但生产率高，适于大批量少品种专用管生产，是石油天然气输送管的主要生产方法。

目前UOE钢管大口径、厚壁和高强度方向发展，已能采用调制热处理生产X80、X100钢级的高强度管，在UOE压力机前设置了弯边机和焊后机械扩管机，广泛运用自动检测技术和自动控制技术，焊管的质量和精度不断提高。

18.1.3 螺旋电焊管生产螺旋焊管出现于1888年，典型工艺流程如图18－3所示。

目前美国、西德已生产出直径3m以上厚度为25.4㎜的螺旋焊管。

与UOE相比，螺旋焊可以用同样宽的板卷生产不同直径的管；内、外焊缝呈螺旋形，具有增强管子刚性的作用；管子直度好，不需设置矫直机，外径椭圆度小，但外径偏差大于UOE法；生产过程易于实现机械化、自动化和连续化；设备外形小、投资少。

图18－3 螺旋焊管工艺流程1－拆卷机；2－端头矫平机；3－对焊机；4－矫平机；5－切边机；6－刮边机；7－主递送辊；8－弯曲机；9－成型机；10－内焊机；11－外焊机；12－超声波探伤机；13－剪切机；14－焊管螺旋焊新工艺是焊接采用预焊和终焊两步进行，先在一台螺旋成形器上进行成型和预焊（点焊），再在最终焊接设备上进行内、外埋弧焊接。

一条成型及预焊设备可配四条埋弧焊设备，产量相当于普通螺旋焊机组的四倍。

18.1.4 连续炉焊管生产炉焊法生产是将带材加热到1350℃～1440℃焊接温度，通过成型焊接机（图18－4）受压成型并焊接成管子。

连续式炉焊管机是高生产率生产焊管设备，比同规格电焊管机组约高6～7倍；成本比电焊管约低20％，比无缝管低30％；机械化自动化程度高，速度高达420m/min～680m/min。

可生产φ5～φ100的焊管。

但焊缝强度较电焊低，一般仅限于焊接低碳的沸腾钢管，主要用于水煤气管、电缆护套及结构用管等。

由于炉焊能耗大，其发展受到限制。

图18－4 连续炉焊工作原理图18－5 成型机布置的基本形式1—开口孔；2—封闭孔；3—立辊组18.1.5 钎焊管生产钎焊又称蜡焊，是利用熔点比母材低的钎料（一般多用铜）进行焊接的方法。

钎料加热熔化后，在毛细管的作用下“湿润”和填充连接面，使钎料和母材相互溶解和扩散而焊合一体。

这种方法可用来生产双层或多层钎焊管和双金属管。

双层钎焊管（又称邦迪管）用于生产汽车刹车管、冷冻机冷凝管和压缩机管等。

钎焊管具有如下优点：尺寸精度高、表面光洁；加工性能好，可进行弯曲、卷边、扩口、压扁、定锻和扩径等加工；价格比铜管低，性能优于铜管；防锈性能好，容易镀层等。

18.2 辊式连续成型机生产电焊钢管的基本问题18.2.1 机架的排列与布置辊式连续式成型机的电焊管机组在我国分布较广，成型机架的排列与布置形式基本有两种：一种是水平辊和立辊交替布置；一种是在封闭孔前成组布置立辊群，如图18－5所示。

其他组合形式均由此演变而来，常见类型列于表18－1。

表18－1 各种机架布置形式轴径／mm排列方式51 75 90 89 127 155 228 254 H—V—H—V—H—V—H—V—H—V—H H—V—H—V—H—V—H—V—H—V—H—H H—V—H—V—H—V—H—V—H—V—H—V—H H—V—H—V—H—V—H—V—H—V—H H—V—H—V—H—V—H—V—V—V—H—H—H—H H—V—H—V—H—V—H—V—V—V—H—H—H—H H—H—H—V—H—T—T—Q—Q—Q H—T—T—H—H—H—H—Q—Q—Q注：H—水平机架；V—立辊机架；T—三辊式机架；Q—四辊式机架。

整个机组完全采用水平辊和立辊交替布置的形式正在逐步淘汰。

因为这种布置在封闭孔前几架管坯的变形角相当大，上下辊之间的直径差很悬殊，因而辊面的速比可达到1.8～2.2，造成管坯表面划伤，轧辊磨损严重。

因此新设计的机组将这几架以立辊组代替，既避免了划伤又简化了结构。

国外还出现了一种布置形式，仅仅头两架开口孔和封闭孔是水平机架，其余都是立辊机架，简称VRF 法。

该机组设备简单，重量轻，边缘延伸小，管坯成型质量好。

18.2.2 管坯成型的变形过程管坯在成型机组中的变形包括纵向变形、横向变形和断面变形三部分。

纵向变形是指管坯在轧制线方向上由平板变为圆筒形的过程，如图18－6所示。

纵向变形过程是不均匀的，在前几架带钢边缘部分的延伸大于中心部分，在封闭孔型前两架时管坯中心变形角超过180O 以后，中心部分延伸又大于边缘，如图18－7所示。

总的结果是成型为圆筒以后，边缘的长度大于原来的长度L ，相对延伸率为%100⨯-'=LL L ε （18－1）图18－6 管坯成型的纵向变形示意图 图18－7 沿轧制线上管坯边缘和中心延伸系数的变化为保证成型质量稳定性，应使延伸边缘压缩时能恢复原来的形状，不致引起波浪和鼓包，这样板带边缘的纵向积累拉伸变形应在弹性变形极限以内。

根据虎克定律，得ε≤E sσ式中 ε—纵向变形的延伸率；s σ－金属的流动极限，低碳钢为200MPa ；E －弹性模数，2×105MPa.。

所以低碳钢的边缘相对延伸率必须是ε≤0.1%，由此取边缘上升角a =1o ～1o 25′。

因此该机组生产最大直径m ax d 产品时所需的最小变形区长度l ：max max d ~atan d l ）（5740== （18－2） 小于此值成型焊接后易起鼓包，太大增多机架也是浪费。

断面变形是指成型后（实际上还包括定径矫直的影响）壁厚变化而言。

一般成型后壁厚总有所增加，管坯边缘部分的壁厚总比中间部分略小，但差值很小对质量无大影响，一般略而不计。

横向变形指管坯在孔型中承受横向弯曲变形的问题，即轧辊的孔型设计，对此以后将专门讨论。

18.2.3 成型底线成型底线是第一架至末架成型机的下辊孔型最低点的连线。

成型底线的形式对于管坯成型的纵向变形过程有显著影响。

成型底线的形式基本上有图18－8所示的四种形式：1）上山法：底线在成型过程中逐渐上升；2）水平底线法：成型过程中底线为水平线；3）下山法：成型过程中底线逐渐下降；或者在预成型各架中逐渐下降，至封闭孔型后底线保持水平；4）边缘线水平法：成型过程中边缘线保持水平，成型底线按下山法演变。

图18－8 几种不同方式的成型底线 图18－9 同一横剖面上各处的延伸分布情况（a ）上山法；（b ）底线水平法；（c ）下山法；（d ）边缘线水平法 （a ）底线水平法；（b ）下山法 生产中多采用水平底线法和下山法，两者相比前者较差，因为前者同一垂直剖面上中心和边缘的延伸不均匀性严重，下山法则比较均匀，如图18－9所示。

并且最后的积累变形也是前者的边缘延伸比后者大。

单机模拟下山成型的试验证明，要在成型过程中减少边缘延伸量，使得出口管坯件保持平直运行，必须送料时向下倾斜一定值，也就是使送料支撑点比下一机架的辊底线高出一下山值S ，如图18－10（a ），设支持点与机架中心线距离为 f ，它们之间需保持一定关系：Kf S = （18－3）式中 K －根据变形量、板厚、管坯形状确定的系数，取0.05～0.15。

图18－10（b ）是S 、f 与成型件离开成型辊时弯曲曲率R ／1的关系。

正值表示向上弯曲，负值表示向下弯曲。

可见一定的机架间距只有一定的下山值可使成型件离开成型辊时保持平直。

所以，最好在机架之间增设下山成型的辅助装置，相对下一机架轧辊底线调整下山值以收到应有的效果。

（a ） （b ）图18－10 下山成型模拟装置示意图及其试验曲线（a ）下山成型模拟试验装置；（b ）试验曲线图18.2.4 薄壁管成型通常将壁厚与管径比小于0.02的管材称为薄壁管。

薄壁管生产在工艺上存在一系列困难：如对焊质量、焊接管缝质量不稳定；成型困难容易起波浪和鼓包；容易搭焊；飞锯切断容易引起切口变形；钢管在运输和拨料时容易引起压坑、变形等。