高频焊管成型技术的发展

    高频焊管成型技术按时间段和成型方式发展的三个阶段 , 即早期的辊式成型技术( roll forming )、排辊成型技术( cage ?forming )和 ?FFX成型技术( flexible? forming ?excellent)。本文详细论述了各成型技术的发展过程以及优缺点。通过对比分析指出，随着各行业对焊管品种、质量、成本的要求越来越高，在今后相当一段时间内新建和改造焊管机组时，应首选 FFX成型技术。
    高频焊管成型技术包括粗成型和精成型两部分 , 它是高频焊管生产技术的核心 , 如果钢带在粗成型和精成型阶段成型质量不好或成型不到位 , 是很难生产出高质量焊管的。因此成型技术决定了高频焊管的产量、品种、质量、原料和轧辊消耗,是焊管设备设计制造部门和使用部门十分关心的问题。
1 辊式成型技术
    辊式成型技术其粗成型和精成型采用二辊式水平机架 ,在水平机架之间设置一些立辊机架。对尺寸较大的焊管,为了提高变形质量 , 减少速度差 ,轧辊采用组合辊。由于设备空间受限因素少 , 适应性较大 , 既可生产薄壁焊管 , 也适合生产厚壁焊管 , 这种辊式成型技术使用了很长时间 。 但每生产一种尺寸焊管要求一套轧辊 , 因此焊管品种规格越多 , 轧辊数量越多 , 费用也越大。在没有快速换辊装置的条件下 , 换辊时间很长 , 一般需要 1～2 个班工作时间 , 使生产效率降低 , 产品成本提高 。因此不适应小批量、多品种焊管生产。
2.排辊成型技术　
2.1技术概述
    针对辊式成型技术存在的问题 , 为了减少辊式成型机轧辊数量 , 降低费用 , 缩短换辊时间 ,美国 Torrance 公司首先推出了在辊式成型机的粗成型段中采用可以部分通用轧辊的排辊成型( cage? forming ) 原始技术 。到了 60年代末期 , 美国 Yoder 公司对其进行了改进 , 由于当时设备不很完善 , 轧辊调整比较困难 ,? 排辊成型技术只用于生产中直径焊管 。随着时间的推移 , 经过不断发展 , 设备结构更加完善 ,到 70 年代后期 ,排辊成型技术的使用范围也逐步扩大到小直径焊管。
2. 2　技术优点
( 1) 粗成型轧辊数量减少 , 降低了轧辊费用和换辊时间 。排辊成型技术的粗成型机一般由 2架水平辊式机架与许多外排辊和内辊组成 , 对于产品范围内的所有焊管尺寸 , 第 1机架的轧辊通常情况只需要一套 , 但第 2 机架的轧辊和内辊就需要有几套。这和辊式成型机相比 , 轧辊数量减少了 , 投资也相应减少了。
(2) 提高了焊管质量 。由许多小直径排辊代替了辊式成型机的大直径水平辊 , 轧辊表面线速度差减少了 , 改善了钢带边部拉伸作用 , 提高了焊管边部的质量。
(3)? 缩短了换辊时间 , 提高了产量 。粗成型轧辊和内排辊尽管有几套 , 但不是每更换一种直径的焊管就要换辊 。精成型机和定径机广泛采用等刚性机架和快速换辊装置 , 换辊时间由过去的1～2个班大大地缩短为几十分钟 。换辊时间缩短 , 提高了产量 , 因此排辊成型技术不仅在中直径焊管生产中得到普及 , 而且在小直径焊管生产中也得到推广。可以说 20世纪 80 年代中期以后 , 是排辊成型技术大发展时期。
2.? 3　存在的问题
1.粗成型变形减弱是焊管产生缺陷的根源 。由于片面追求轧辊共用性以减少轧辊数量和换辊次数 , 因此减少了排辊成型的水平辊机架(breakdown stand) ?, 使原本由水平辊机架变形的变形量 , 较多地转移到排辊段和精成型机上 。 排辊段由许多外排辊和一些内辊组成 , 外排辊主要是通过对钢带外表面施加压力使其变形 , 内辊使钢带内表面变形 。由于共用性的要求 ,外排辊和内辊没有孔型,加上空间上的限制 , 轧辊尺寸小 , 内辊调整困难 ; 外排辊和内辊对钢带局部施压 , 使钢带变形不均匀 , 边部很大区域成为变形死区;外排辊和内辊尺寸小,刚性差 , 对于厚度大和材质强度高的钢带 , 变形程度受到了限制 , 难以达到充分塑性变形的目的 , 变形死区更严重 , 钢带容易反弹 。这些是排辊成型技术造成焊管很多缺陷和隐患的根源。
2.粗成型变形不充分 , 增加了精成型机、定径机的数量 。在高频直缝焊管生产中 , 钢带边部的变形状态对焊接质量的影响极大 。最好的钢带开口管筒边部的曲率和焊管成品很接近 , 而且这个变形要求在粗成型阶段完成 。 而排辊成型技术由于水平辊机架减少 , 在粗成型阶段是很难做到的 , 只好将变形放到排辊段和精成型机上 , 但在排辊段 , 由于设备结构上的原因也很难保证 , 结果是焊接后的焊管圆度差 。为了改善焊管圆度 , 要求增加精成型机和定径机数量 , 所以目前世界上主要三家公司生产的排辊成型机 , 其精成型机和生产圆管时的定径机数量都是 3架和 4架。尽管精成型机架数量增加了 , 但是粗成型后由于钢带开口管筒边部的 V 形角度得不到有效的变形控制 。厚度较大的焊管进入精成型机孔型中时,和导向碟片(fin ) 的角度有较大的差异 , 在精成型机的压力下 , 钢带开口管筒边部侧面产生剧烈的局部塑性变形 , 使钢带边部异常增厚 。在钢带厚度较大 ( > 12.? 7 mm ) 时 , 这不仅破坏铣边后已形成的钢带边部侧面形状 , 影响焊接质量 , 也会在焊接时形成很大的内毛刺 , 造成内毛刺刮除困难 , 降低内毛刺刀寿命 , 同时材耗也加大 。水平辊机架变形量减少 , 加之排辊成型机架中的外排辊和内辊没有孔型 , 它对钢带变形形状的控制能力很弱 。同时由于钢带自身不可避免地具有板形、尺寸以及材质上的不均匀性 , 力学性能也不可能保持绝对的对称 , 因此在粗成型过程中钢带容易产生扭动不稳定现象 , 一旦出现扭动(不稳定) 现象 , 一旦出现扭动现象 , 很难在精成型中得到纠正 , 严重时往往无法进行正常的成型和焊接。
3.焊管产品内在质量下降 。由于外排辊和内辊对钢带不均匀变形 , 使焊管材质局部加工硬化程度增大 , 残余应力大并且分布不均匀 。 尽管在外形尺寸上能够符合产品要求 , 但材质性能相对钢带母材已发生了较大变化 , 焊管内在的韧性、延伸性、耐应力腐蚀性能等都受到了损害 , 这对在寒冷地区使用的高钢级管线管和要求抗腐蚀介质的套管影响很大。
4.推力不足 , 焊接速度不稳定 。在高频直缝焊管成型过程中 , 完全依靠轧辊传动所提供的推力使钢带克服变形抗力并保持焊接速度的稳定 。由于水平机架减少 , 使得克服变形的推力降低 , 特别在钢带厚度大、材质强度高的情况下 , 容易出现推力不足的现象 , 钢带成型速度产生波动 。为了弥补推力不足 , 稳定焊接速度 , 也要求增加精成型机数量。
5.设备刚性差 , 厚壁和高强度焊管难生产 。与早期的比较 , 现在的排辊成型机中使用了许多内辊 , 但内辊数量增多以后也会产生一些问题 。 首先 , 由于空间的限制 , 内辊尺寸很小 , 如610 ( 24? in ) 高频焊机的内辊直径最大仅有 200 mm左右 , 辊面宽度也在 100 mm 以下 , 这样小尺寸内辊容易在钢带内表面造成局部的高应力区和压痕。同时由于空间限制 , 内辊的支持装置只能采用悬臂结构 , 内辊强度和刚度不足。这个问题是排辊成型技术的普遍难题 , 限制了这种成型机生产高强度和厚壁焊管。如 610(24 in) 排辊成型机 ,对 X60钢级的焊管,当直径为 610 mm 时,壁厚一般在 19 mm 以下;对 X70 钢级的焊管,壁厚在 16 mm 以下;对 X80钢级的焊管,最大壁厚仅12～13 mm 。
其次,为了适应不同尺寸焊管生产 ,必须安装调整机构对这些内辊进行调整 ,或者采用许多尺的内辊对应焊管尺寸。采用调整机构必然占用空间,更加削弱内辊强度和刚度。因此在大多数情况下按照焊管尺寸大小,只有分档采用不同尺寸内辊 ,这样就增加了换辊的工作量和轧辊成本
3 FFX成型技术 ?(FFX? flexible? forming ?excellent ) 成型技术是于 20世纪 90年代后期开发的。设计人员根据十几年的设计、制造和使用20多套 FF成型技术的实践经验 ,对直缝焊管成型工艺以及各类辊式和排辊成型技术进行科学系统分析 ,建立了合理的成型理论后开发出来的。FFX成型技术继承了 FF 成型的部分技术 ,但与FF成型技术完全不同,在变形量分配方面借鉴了辊式成型的大变形特点,通过合理的成型方式 ,克服了辊式成型轧辊数量多,换辊时间长的缺点。FFX成型技术的先进性和主要特点如下:
( 1) FFX 成型机能生产钢级更高、管壁更簿或更厚的焊管,这些产品用排辊成型工艺是很难生产的。
(2) FFX成型机的水平辊和立辊做到完全共用。在 FFX成型技术中,将渐开线轧辊形状与卷贴辊弯方法有机地结合在一起 ,使水平辊和立辊做到完全共用。
（3）变形量分配合理 ,成形工艺稳定。在粗。成型阶段 ,采用水平辊为主的大变形方式 ,使开口管筒侧面的曲率接近成品焊管,精成型变型量小。这种合理地分配变形量 ,使 FFX成型技术的成型工艺稳定,克服了排辊成型由于变形量分配不合理而造成焊管缺陷的隐患。
(4)降低设备投资。由于粗成型水平辊对钢带的变形量大 ,克服变形的推力也大 ,因此在 FFX 成型机组中,精成型机架数量减至 2架 ,生产圆管时定径机只要 3架。与排辊成型机相比,精成型机架数量和生产圆管时定径机架数量各减少了 1架 ,降低了设备费用。?
（5）采用连续弯边成形法 ,为高频焊接创造最佳的条件。FFX成型技术由于采用连续弯边成型法 ,充分利用水平辊和立辊各自的成型特点,使钢带断面无变形死区,更重要的是有效地克服了由于钢带厚度和强度变化而使变形不充分产生的弹性回复现象 ,提高了成型的正确性和稳定性。粗成型后钢带边部完全塑性变形,并且钢带开口管筒边部的曲率和焊管成品很接近 ,精成型机变形量小,不会改变粗成型后开口管筒的形状 ,为高频焊接创造了最佳的条件。
(6) 提高了焊管质量。与排辊成型技术比较 , FFX 成型技术还在以下两个方面提高了焊管质量:首先 ,在粗成型后 , 由于钢带开口管筒边部的曲率和成品焊管很接近 ,不会在精成型阶段和挤压辊机挤压阶段产生错位 ,即使是高强度、厚壁焊管,在精成型后钢带边部的两个侧面也很容易做到平行 而非正 V 形或倒 V 形 对接 ,挤压后在焊管内外表面形成均匀的毛刺 ,有利于毛刺的刮除和打断。当钢带铣边时,钢带两侧面铣成与钢带表面成 90 °排辊成型时,要求钢带两侧面和表面成 3 °～5 °,在成型过程中也不会受到破坏。同时在高频焊机前可以采用较大的 V 形焊接角度 ,有效地防止灰斑等焊接缺陷。
另外 , 由于采用连续弯边成型方法和独特的轧辊孔型设计 ,钢带断面的任何部位在粗成型中最多只承受一次变形 ,并且变形过渡衔接得很好 , 不易出现某一部位因多次受到轧辊的压力而产生局部减薄。因此 ,变形均匀 , 内应力小,提高了焊管的内在质量。
(1)机械强度大、刚性高,可生产高强度厚壁焊管。由于 FFX成型技术的变形以水平辊为主 , 而且粗成型后段的立辊也无需使用内辊来控制变形 ,因此设备结构上容易实现高强度和高刚度 ,可以生产高强度厚壁焊管。
(2)柔性和刚性兼备 ,适应性强。由于 FFX 成型机变形具有柔性和刚性兼备的特点,不仅适合于生产高精度焊管、高合金不锈钢焊管和低合金高强度钢焊管,也适用于生产薄壁和厚壁焊管。如 610 (24? in) FFX 成型机 ,不仅可生产 <219 mm? ×2.? 5 mm 和 <610 mm ×6.? 0 mm 薄壁焊管,也可生产 <219 mm? ×16.? 0 mm 和 <630 mm ×22 mm 厚壁焊管。据了解目前世界上各种类型的排辊成型机 ,都不能生产上述薄壁和厚壁焊管,也很少采用排辊成型机生产不锈钢焊管。